МИКРОТВЭЛ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
NUCLEAR REACTOR PEBBLE

Изобретение относится к области ядерной энергии, в частности к микротвэлам ядерного реактора.
Применение микросферического топлива с защитными слоями покрытий обеспечивает длительную работу реактора без перезагрузки, глубокое выгорание топлива, при обеспечении максимальной безопасности эксплуатации атомного реактора, так как микросферическое топливо с многослойным керамическим покрытием эффективно удерживает продукты деления внутри топливных частиц, как при нормальных условиях эксплуатации, так и при условиях максимальной проектной аварии с потерей теплоносителя, когда температура топлива может достигать 1600°С.
В качестве основных защитных покрытий в настоящее время рассматриваются пироуглерод различной плотности и карбиды кремния (SiC) или циркония (ZrC). В качестве первого слоя (считая от топливной микросферы) обычно используют низкоплотный пироуглерод, в качестве второго слоя - высокоплотный изотропный пироуглерод, третий слой выполняют либо из SiC, либо из ZrC, четвертый наружный слой применяют, когда требуется защита третьего слоя (хрупкого карбида), он обычно выполняется из высокоплотного изотропного пироуглерода. Три высокоплотных слоя в англоязычной литературе получили название TRISO покрытие (Wang J., Ballinger R.G., MacLean H.J., TIMCOAT: An integrated fuel performance model for coated particle fuel / - Nuclear Technology, vol. 148, Oct. 2004, p. 68-96).
В составе микротвэла покрытия выполняют многоцелевые функции. Так, первый от топливного керна слой служит свободным объемом для локализации газообразных и легколетучих продуктов деления, а также является компенсатором увеличения объема топливного ядра вследствие термического расширения и радиационного распухания (свеллинга). Кроме того, этот слой предохраняет последующие плотные слои покрытия от воздействия высокоэнергетичных осколков деления. Второй слой представляет собой диффузионный барьер для газообразных и некоторых твердых продуктов деления, одновременно он защищает следующий, карбидный (SiC или ZrC) слой от коррозионного воздействия продуктов деления. Третий слой (карбидный) - диффузионный барьер практически для всех образующихся при выгорании топлива продуктов деления. Четвертый, наружный, слой обычно применяют, когда требуется защита хрупкого карбидного слоя от механических повреждений.
Анализ термомеханического поведения покрытий микротвэла в процессе облучения позволяет выстроить схему взаимодействия слоев между собой и с образующимися продуктами деления. Выходящие из топливного ядра в открытую пористость топлива и первого низкоплотного слоя покрытия газообразные продукты деления (в основном криптон и ксенон), а также образующаяся при выгорании оксидного топлива окись углерода создают внутреннее давление, которое может достигать нескольких сотен атмосфер, а плотные слои пироуглерода и карбида (SiC или ZrC) действуют как конструкционные слои, противодействующие этому давлению. Слои пироуглерода при облучении испытывают радиационные размерные изменения (РРИ), причем при относительно небольших значениях флюенса быстрых нейтронов происходит изотропная усадка, но с ростом флюенса усадка сменяется анизотропным распуханием. При этом скорость РРИ в радиальном и тангенциальном направлениях значительно отличается. В то же время радиационные испытания показали хорошую радиационную стабильность карбидов (SiC или ZrC) вплоть до флюенсов, характерных для реакторов на быстрых нейтронах.
Послереакторные исследования облученных микротвэлов показывают, что наиболее часто разрушения происходят в слое низкоплотного пироуглерода и на границе плотного слоя пироуглерода и карбида (SiC или ZrC). Нарушения связи между этими слоями в существенной мере предопределяют поведение всего покрытия под облучением. При облучении усадка внутреннего плотного пироуглеродного слоя вызывает радиальное растягивающее напряжение на поверхности раздела между слоями плотного пироуглерода и карбида (SiC или ZrC). Если напряжение превышает прочность связи между слоями, происходит отслоение внутреннего высокоплотного пироуглеродного слоя от карбидного.
Известен микротвэл ядерного реактора, содержащий топливную микросферу и многослойное защитное покрытие, состоящее из последовательно нанесенных на микросферу слоев низкоплотного пироуглерода, высокоплотного изотропного пироуглерода, карбида циркония, слоя из композиции пироуглерод - карбид кремния с содержанием кремниевой фазы 20-45 масс.%, карбида кремния и внешнего слоя высокоплотного изотропного пироуглерода (патент RU №2325711, МПК G21C 3/28, 3/62, опубл. 27.05.2008).
Недостатком такой конструкции является применение в качестве объема для локализации газообразных продуктов деления слоя низкоплотного пироуглерода, разрушающегося при длительной работе микротвэла и образующего при реакции с кислородом окись углерода, создающую высокое давление, отсутствие геттера кислорода. Применение чередующихся плотных слоев из пироуглерода и карбида (SiC или ZrC) приводит к высокой вероятности разрушения этих слоев на их границах из-за различных коэффициентов линейного термического расширения и радиационных размерных изменений при воздействии потока нейтронов.
Известен микротвэл ядерного реактора, содержащий топливную микросферу из диоксида плутония и многослойное защитное покрытие, состоящее из последовательно нанесенных на микросферу слоев низкоплотного пироуглерода, высокоплотного изотропного пироуглерода, нитрида алюминия, карбида кремния и внешнего слоя высокоплотного изотропного пироуглерода (патент RU №2326457, МПК G21C 3/28, 3/62, опубл. 10.06.2008).
Недостатком такой конструкции является отсутствие геттера кислорода, а как следствие постепенное возрастание давления окиси углерода и газообразных продуктов деления, разрушение низкоплотного слоя пироуглерода, миграция топливного керна от центра микротвэла и последующее разрушение микротвэла по механизму сосуда, находящегося под давлением.
3
2
Известен микротвэл с двухслойным защитным покрытием топливной микросферы, в котором внутренний слой выполнен из композиции пироуглерод-карбид кремния, причем наружный слой выполнен из композиции TiSiC-C-TiM (патент RU №2393558, МПК G21C 3/28, 3/62, опубл. 27.06.2010).
Недостатком такой конструкции является применение хлорпроизводных при нанесении первого слоя на еще не защищенный керн, в результате чего образующийся хлористый водород будет активно взаимодействовать с топливной микросферой, вызывая ее коррозию и загрязняя радиоактивными соединениями оборудование и систему газоочистки. Совместное осаждение карбида кремния и пироуглерода проблематичный технологический процесс, т.к. образуются неконтролируемые низкоплотные пористые структуры.
Известен микротвэл ядерного реактора, в котором защитное покрытие состоит из слоя карбида циркония, нанесенного непосредственно на топливную микросферу, и последующих последовательно нанесенных слоями покрытий: низкоплотного пироуглерода, высокоплотного изотропного пироуглерода, силовым слоем карбида кремния и наружным слоем высокоплотного изотропного пироуглерода (патент RU №2325712, МПК G21C 3/28, 3/62, опубл. 27.05.2008).
-6
-1
Недостатком такой конструкции является техническая сложность процесса нанесения слоя карбида циркония на топливный керн. Проблема связана с необходимостью защиты топливного керна тонким слоем металлического циркония, при нанесении которого предполагается использование отдельного (дополнительного) оборудования. Далее, на защищенный от воздействия хлористого водорода топливный керн из хлорпроизводных осаждают карбид циркония. При этом карбид циркония, использованный в качестве геттера кислорода, оказывается изолированным металлическим цирконием. Контакт с выделяющимся в процессе выгорания топлива кислородом будет возможен лишь при разрушении слоя карбида циркония, а разрушение довольно прочного слоя может вызвать ударную волну, провоцирующую разрушение последующих слоев. К тому же такой геттер кислорода будет иметь очень маленькую поверхность контакта, что существенно скажется на его эффективности. Карбид циркония имеет большой коэффициент линейного термического расширения, 7,01×10 град, это может привести к повреждению, разрушению и потере хрупкого слоя карбида циркония уже в процессе нагрева для нанесения следующих слоев покрытий.
Известен микротвэл ядерного реактора с трехслойным защитным покрытием топливной микросферы, в котором первый от топливной микросферы слой выполнен из композиции углерод-карбид кремния с содержанием кремниевой фазы 30-35 масс.% в приповерхностной зоне внешней границы слоя глубиной 0,05-0,10 от толщины слоя и содержанием кремниевой фазы в остальной части первого слоя 1-15 масс.%, второй слой выполнен из карбида кремния, третий от топливной микросферы слой выполнен из композиции углерод-карбид кремния, третий слой выполнен с содержанием кремниевой фазы 5-10 масс.% в приповерхностной зоне внешней границы слоя глубиной 0,1-0,2 от толщины слоя и содержанием кремниевой фазы в остальной части третьего слоя 15-30 масс.% (патент RU №2333552, МПК G21C 3/28, 3/62, опубл. 10.09.2008).
Недостатком такой конструкции является одновременное осаждение углерода и карбида кремния, пиролизом ацетилена и метилсилана. Как показали опыты, при температурах выше 1200°С в результате осаждения защитного слоя из указанной смеси газов образуются рыхлые углерод-кремниевые структуры с неконтролируемыми размерами и другими технологическими параметрами. Физические характеристики чередующихся слоев покрытий различны в значительной мере, в результате при длительной работе такого микротвэла следует ожидать разрушения покрытий на границах слоев. Также недостатком указанного микротвэла ядерного реактора является невысокая стойкость пироуглеродных слоев покрытий к жесткому спектру нейтронов.
3
3
3
3
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является микротвэл ядерного реактора, содержащий топливную микросферу из двуокиси урана и четырехслойное защитное покрытие, первый слой которого, нанесенный на топливную микросферу, выполнен из высокопористого пироуглерода плотностью 1,10 г/см и толщиной 84-110 мкм. Второй слой выполнен из плотного изотропного пироуглерода плотностью 1,85 г/см и толщиной 30-36 мкм. Третий слой плотностью 3,2 г/см и толщиной 32-36 мкм выполнен из карбида кремния и четвертый, наружный, слой плотностью 1,853 г/см выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода и толщиной 36-42 мкм (см., Minato K., Sawa K., Коуа Т. et al. Fission product real ease behavior of individual coated fuel particles for high-temperature gas-cooled reactors, Nuclear Technology, vol. 131, July 2000, p. 36-47).
21
2
23
2
Ввиду отсутствия в конструкции микротвэла вещества, связывающего выделяющийся при работе оксидного топлива кислород, постепенное возрастание давления окиси углерода и газообразных продуктов деления приведет к разрушению микротвэла по механизму сосуда давления. Следует отметить, что предельная стойкость пироуглеродных слоев ограничена значениями флюенса быстрых нейтронов (2-4)·10 н/см, в то время как в быстрых реакторах можно ожидать флюенс более 2,0·10 н/см. Применение пироуглеродных слоев покрытий, особенно низкоплотного, существенно скажется на времени работы микротвэла до его разрушения в связи с недостаточной стойкостью пироуглерода при воздействии потока быстрых нейтронов. Чередование слоев плотного пироуглерода и плотного карбида кремния приводит к разрушениям на границе этих слоев ввиду их различных физических свойств.
Технический результат: получение микротвэла ядерного реактора с повышенным ресурсом эксплуатации (увеличение глубины выгорания топлива) за счет снижения давления газообразных продуктов деления на защитные слои.
3
3
3
3
Технический результат достигается за счет того, что микротвэл ядерного реактора, содержащий 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, отличается тем, что все слои выполнены из карбида кремния, при этом первый слой имеет плотность 0,9-1,2 г/см, второй слой имеет плотность 2,5-2,9 г/см, третий слой имеет плотность 1,5-2,2 г/см и толщину 7-13 мкм, а четвертый слой имеет плотность 3,2-3,3 г/см.
Каждый из слоев предложенного микротвэла (МТ) ядерного реактора выполняет следующие функции:
- первый слой из пористого карбида кремния содержит около 70% пор, что является объемом для локализации газообразных продуктов деления и компенсирует распухание топливной микросферы на стадиях глубокого выгорания топлива, этот слой является также геттером для кислорода и палладия;
- второй слой из плотного карбида кремния, получаемый без использования галогенсодержащих реагентов, изолирует топливную микросферу от проникновения хлористого водорода, образующегося при нанесении плотных слоев карбида кремния, и является диффузионным барьером для продуктов деления;
- третий тонкий слой SiC, являясь пористым, разделяет плотные слои карбида кремния с целью предотвращения развития сквозной трещины, имеющей вероятность зародиться во втором слое SiC, испытывающем растягивающие напряжения в результате развития давления газообразных продуктов деления на стадиях глубокого выгорания топлива;
- четвертый слой из высокоплотного карбида кремния несет основную силовую нагрузку и является основным барьером для продуктов деления.
Сущность предлагаемого решения заключается в следующем.
2
2
21
2
23
2
В первом пористом слое карбида кремния, прилегающем непосредственно к топливной микросфере, происходит связывание кислорода, образующегося при работе оксидного топлива SiC+2O→SiO+С, в результате чего образуется твердое соединение SiO, что снижает внутреннее давление в МТ и, соответственно, вероятность разрушения микротвэла по механизму сосуда давления. Контакт пористого карбида кремния с топливной микросферой также позволяет связывать палладий, вызывающий коррозию основного несущего слоя карбида кремния, в тугоплавкие (1950°С) и не поддающиеся диффузии соединения U-Si-Pd-C. Покрытия обладают близкими физическими свойствами, в результате чего предотвращается имевшее место разрушение слоев покрытий на их границах. Предельная стойкость пироуглеродных слоев ограничена значениями флюенса быстрых нейтронов (2-4)·10 н/см, в то время как в реакторах на быстрых нейтронах можно ожидать флюенс более 2,0·10 н/см, что делает неприемлемым применение микротвэлов, содержащих пироуглеродные покрытия, в реакторах на быстрых нейтронах. Для решения этой проблемы заявляемый микротвэл содержит только карбидокремниевые защитные покрытия, которому свойственна высокая стойкость к жестким потокам нейтронов (Tecdoc 1645 «High Temperature Gas Cooled Reactor Fuels and Materials)), МАГАТЭ, Вена, Австрия, 2010).
Для изучения свойств пористого карбида кремния, ранее не применявшегося в качестве компенсационного объема для газообразных продуктов деления и распухающей топливной микросферы, были проведены эксперименты по проверке возможности такого слоя выдерживать значительные деформации без разрушения. Граница слоя пористого SiC в образцах до и после термического удара, проведенного 10 раз путем резкого нагрева (со скоростью 100-1000 град/с) до 1000°С и последующего резкого охлаждения до 20°С, показана на фиг. 1 и фиг. 2, соответственно. Данный эксперимент подтверждает хорошие деформационные характеристики пористого слоя карбида кремния, что необходимо при использовании его как компенсационного объема для распухающего топливного ядра и газообразных продуктов деления, а также подтверждается возможность использования слоя для связывания палладия, т.к. отслоения слоя от топливной микросферы не происходит и есть все условия для образования устойчивого соединения U-Si-Pd-C.
Проведено моделирование экспериментальной конструкции МТ. Расчеты были проведены с использованием кода GOLT-v3, разработанного в ОАО ВНИИНМ (Голубев И.Е., Курбаков СМ., 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:
2
3
3
3
3
1) предлагаемая конструкция: сферическая микросфера UO (диаметр 400 мкм, 20% обогащение по U-235) с нанесенным на нее четырехслойным покрытием: пористый SiC (толщина 100 мкм, плотность 1.0 г/см), плотный SiC (толщина 35 мкм, плотность 2.8 г/см), пористый SiC (толщина 10 мкм, плотность 2.0 г/см), высокоплотный β-SiC (толщина 40 мкм, плотность 3.21 г/см);
2
3
3
3
3
2) конструкция прототипа (частица с покрытием типа TRISO): сферическая микросфера UO (диаметр 400 мкм, 20% обогащение по U-235) с нанесенным на нее четырехслойным покрытием: пористый пироуглерод (буферный слой BPyC, толщина 100 мкм, плотность 1.0 г/см), плотный пироуглерод (IPyC, толщина 35 мкм, плотность 1.85 г/см), слой из β-SiC (толщина 40 мкм, плотность 3.21 г/см), плотный пироуглерод (OPyC, толщина 40 мкм, плотность 1.85 г/см).
Расчеты проводились для условий облучения, характерных для высокотемпературных газовых реакторов (ВТГР):
- тепловыделение в единичном керне: 0,1 Вт;
- максимальное выгорание: 20% FIMA;
25
-2
- максимальный флюенс быстрых нейтронов (Е>0,18 МэВ): 4×10 м;
- максимальная температура топливной микросферы: 1250°С.
На фиг. 3 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. 4 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. 5 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 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 на быстрых нейтронах.
Пример осуществления изобретения
5
Аппарат для нанесения покрытий в кипящем слое нагревают до температуры 1100°С, при расходе аргона 800 л/ч засыпают 100 г топливных микросфер диаметром 400 мкм (3·10 штук), после чего вместо аргона подают пиролизную смесь газов.
Первый низкоплотный слой наносят пиролизом смеси из метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 5-15 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч, при температуре 1100°С, время осаждения слоя составляет 20 минут. Второй плотный слой получают подачей смеси метилсилана 2-10 об.% с аргоном при суммарном расходе газов 900 л/ч, при температуре 800°С, время осаждения слоя составляет 50 минут. Третий низкоплотный слой карбида кремния наносят пиролизом смеси из метилсилана и аргона при концентрации метилсилана 2-5 об.% и суммарном расходе газов 900 л/ч, при температуре 1100°С, время осаждения слоя составляет 5 минут. Четвертый высокоплотный слой осаждают из паров метилтрихлорсилана в атмосфере водорода при концентрации метилтрихлорсилана 1,2-1,5 об.%, расход водорода на псевдоожижение 900 л/ч, при температуре 1500°С, время осаждения слоя составляет 120 минут.
Таким образом был создан микротвэл ядерного реактора, имеющий топливную микросферу из оксидного топлива, и защитное покрытие, в составе которого все слои выполнены из карбида кремния различной плотности и структуры. Полученный микротвэл имеет повышенный ресурс работы топлива (глубины выгорания) в реакторе.