Высокотемпературный плотный композитный материал ядерного топлива и способ его получения
HIGH-TEMPERATURE DENSE NUCLEAR FUEL COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR ITS PRODUCTION

Группа изобретений относится к материалу ядерного топлива, характеризующемуся, в частности, высокими сопротивлением коррозионному растрескиванию и структурно-фазовой стабильностью под действием высокотемпературного облучения и повышенной способностью удержания летучих продуктов деления, а также к способу получения указанного высокотемпературного плотного композитного материала ядерного топлива.
Обеспечение термопрочности ядерного топлива в условиях облучения является одной из ключевых задач при проектировании и эксплуатации ядерных установок. Распухание ядерного топлива под действием облучения, выделение продуктов деления, кислорода и других твердых и газообразных продуктов химического взаимодействия приводят к появлению локальных напряжений и изменению структурно-фазового состояния твэла в штатных и аварийных режимах работы, что приводит к ухудшению механических свойств и, как следствие, к растрескиванию ядерного топлива и разрыву оболочки твэла.
Известен способ получения композитного материала ядерного топлива (патент GB 1116663, МПК C01G 43/025, С04В 35/51, G21C 3/62, опубл. 12.06.1968), содержащий керамическую, инертную к облучению матрицу, в которой распределены частицы ядерного топлива, включающий в себя приготовление смеси из частиц вещества-предшественника ядерного топлива и порошка материала, предназначенного для изготовления керамической, инертной к облучению матрицы, формование смеси прессованием и спекание отформованной смеси в восстановительной атмосфере. Однако полученным таким способом композитный материал не решает задачу распухания ядерного топлива под действием облучения и выделения летучих продуктов деления, приводящих к локальным напряжениям внутри материала.
Известен способ изготовления топливной композиции для ядерного реактора (патент RU 2295165 С1, МПК(2006.01) G21C 3/02, G21C 3/30, G21C 21/02, опубл. 10.03.2007), заключающийся в том, что в оболочку заданного размера и формы засыпают мелкодисперсное топливо, дополнительно заполняют оболочку веществом, образующим твердую матрицу при температуре, равной или выше температуры плавления топлива, нагревают оболочку с мелкодисперсным топливом и веществом, образующим твердую матрицу, до температуры, равной или выше температуры плавления топлива, и охлаждают. В изобретении показана работоспособность и целостность этой топливной композиции при циклическом изменении температуры от 20 до 1200°С (100 циклов). Однако использование металлического ядерного топлива и предкерамических полимеров в процессе изготовления топливной композиции ограничивает ее работоспособность при более высоких температурах.
2
2
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому высокотемпературному плотному композитному материалу ядерного топлива и способу его получения является композитный материал ядерного топлива и способ его получения (патент RU 2175791 С2, МПК (2000.01) G21C 3/64, С04В 35/51, опубл. 10.11.2001), заключающийся в приготовлении смеси из частиц вещества-предшественника ядерного топлива и порошка материала, формовании смеси прессованием и спекании отформованной смеси в восстановительной атмосфере. Материал содержит керамическую, инертную к облучению матрицу, в которой распределены частицы ядерного топлива. Величина зазора между матрицей и частицами составляет 1-10 мкм. Коэффициент теплового расширения матрицы меньше коэффициента теплового расширения частиц ядерного топлива. Матрица может быть выполнена из шпинели, окиси магния или окиси иттрия. Частицами ядерного топлива являются частицы UO или смеси окисла на основе UO. Однако высокотемпературное облучение полученного таким способом композитного материала будет сопровождаться активной кислородной коррозией внутри материала и накоплению внутренних напряжений, связанных с изменением структурно-фазового состояния материала матрицы в процессе работы.
Ни один из указанных в аналогах материалов одновременно не решает проблем, связанных с распуханием ядерного топлива и с сохранением структурно-фазового состояния твэла в условиях высокотемпературного облучения.
плавл
Настоящее изобретение ставит своей целью получить новый топливный материал, позволяющий разрешить названные выше проблемы и создать способ приготовления такого ядерного топлива. Достигается это путем использования жаростойкого бескислородного топлива, практически по всем теплофизическим параметрам превосходящего традиционное диоксидное, в сочетании с плотной карбидокремниевой матрицей, чей материал имеет высокую жаропрочность, высокую температуру диссоциации, высокую термостойкость в различных средах, не распухает и мало подвержен влиянию под облучением, низкое сечение захвата тепловых нейтронов, что подтверждается полувековым опытом использования его в качестве силового слоя в конструкции микротвэлов высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. Низкая химическая активность и высокотемпературная стойкость плотного карбидокремниевого материала обеспечивают газонепроницаемость и стабильный теплообмен твэла с теплоносителем даже в условиях высокотемпературного режима работы до 0,63Т.
плавл
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является получение высокотемпературного плотного композитного материала ядерного топлива, убыль массы которого после отжига в вакууме при 0,63Т в течение 10 часов не превышала 2%.
Для достижения указанного результата предложен высокотемпературный плотный композитный материал ядерного топлива, содержащий керамическую, инертную к облучению матрицу, в которой распределены частицы ядерного топлива, при том, что матрица выполнена из порошка материала на основе карбида кремния, а частицами ядерного топлива являются частицы бескислородного ядерного топлива.
Используют порошок материала на основе карбида кремния субмикронной дисперсности.
В качестве порошка материала на основе карбида кремния используют порошок карборундового материала на основе Si-C-Al.
Распределенными частицами бескислородного ядерного топлива являются частицы нитридного или карбидного, или уран-циркониевого карбонитридного топлива.
Соотношение и геометрические размеры распределенных в керамической матрице частиц ядерного топлива определяются нейтронно-физическими характеристиками активных зон ядерных установок.
На высокотемпературный плотный композитный материал ядерного топлива дополнительно нанесен слой плотного карбидокремниевого покрытия, удерживающий продукты деления.
Толщина нанесенного слоя плотного карбидокремниевого покрытия составляет 50-100 мкм.
Форма и геометрические размеры плотного композитного материала ядерного топлива определяются нейтронно-физическими характеристиками активных зон ядерных установок.
Предложен способ получения высокотемпературного плотного композитного материала ядерного топлива, включающий в себя приготовление смеси из частиц ядерного топлива и порошка керамической, инертной к облучению матрицы, формование смеси прессованием и спекание отформованной смеси, при том, что спекают отформованную смесь методом горячего прессования, матрица выполнена из порошка материала на основе карбида кремния, а частицами ядерного топлива являются частицы бескислородного ядерного топлива.
плавл
Отформованную смесь спекают методом горячего прессования при температуре (0,70-0,85)Т и давлении не менее 100 МПа.
На высокотемпературный плотный композитный материал ядерного топлива наносят слой плотного карбидокремниевого покрытия, удерживающий продукты деления.
Использование в композитном материале бескислородного ядерного топлива в сочетании с плотной карбидокремниевой матрицей позволит избежать возникновения кислородной коррозии внутри материала, снизить скорость распухания ядерного топлива и, следовательно, позволит сохранить теплофизические свойства и значительно снизить внутренние напряжения, связанные с изменением структурно-фазового состояния материала матрицы в процессе работы.
Осуществление изобретения.
Пример 1:
ПЛ
Изготавливали высокотемпературный плотный композитный материал ядерного топлива путем смешивания частиц уран-циркониевого карбонитридного топлива в количестве 2 г и порошка карбидокремниевого материала в количестве 25 г, предназначенного для изготовления керамической, инертной к облучению матрицы, формовали смесь прессованием и спекали отформованную смесь в вакууме методом горячего прессования при температуре 0,80Тавл и давлении 400 МПа.
пла
На фиг.1 представлена структура материала после термических испытаний изготовленного высокотемпературного плотного композитного материала ядерного топлива, показавших, что убыль массы материала после отжига в вакууме при 0,63Твл в течение 10 часов составила 0,3%.
Пример 2:
плавл
Изготавливали высокотемпературный плотный композитный материал ядерного топлива путем смешивания частиц нитридного ядерного топлива в количестве 3 г и порошка карбидокремниевого материала в количестве 50 г, предназначенного для изготовления керамической, инертной к облучению матрицы, формовали смесь прессованием и спекали отформованную смесь в вакууме методом горячего прессования при температуре 0,75Т и давлении 300 МПа.
плавл
На фиг.2 представлена структура материала после термических испытаний изготовленного высокотемпературного плотного композитного материала ядерного топлива, показавших, что убыль массы материала после отжига в вакууме при 0,63Т в течение 10 часов составила 1,7%.
Пример 3:
плавл
Изготавливали высокотемпературный плотный композитный материал ядерного топлива путем смешивания карбидного ядерного топлива в количестве 1,5 г и порошка карбидокремниевого материала в количестве 20 г, предназначенного для изготовления керамической, инертной к облучению матрицы, формовали смесь прессованием и спекали отформованную смесь в вакууме методом горячего прессования при температуре 0,85Т и давлении 500 МПа.
плавл
На фиг.3 представлена структура материала после термических испытаний изготовленного высокотемпературного плотного композитного материала ядерного топлива, показавших, что убыль массы материала после отжига в вакууме при 0,63Т в течение 10 часов составила 1,1%.
Таким образом, предложен высокотемпературный плотный композитный материал ядерного топлива, содержащий керамическую, инертную к облучению матрицу, в которой распределены частицы ядерного топлива, при том, что матрица выполнена из порошка материала на основе карбида кремния, а частицами ядерного топлива являются частицы бескислородного ядерного топлива, также предложен способ получения такого материала.
плавл
Термические испытания изготовленного высокотемпературного плотного композитного материала ядерного топлива показали, что убыль массы материала после отжига в вакууме при 0,63Т в течение 10 часов не превышает 2%. Высокотемпературная стойкость и структурно-фазовая стабильность этого материала продемонстрирована при температурах испытания, в полтора раза превышающих температуры аналогичных экспериментов в прототипе и аналогах, при которых отмечалось взаимодействие керамической матрицы с частицами ядерного топлива.