ТАБЛЕТКА НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА (ВАРИАНТЫ) И ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА (ВАРИАНТЫ)
NANOSTRUCTURED NUCLEAR FUEL PELLET (VERSIONS) AND NUCLEAR REACTOR FUEL ELEMENT (VERSIONS)

Группа изобретений относится к ядерной энергетике, а именно к таблетированному ядерному топливу и к стержневым тепловыделяющим элементам, и может быть использована в ядерных реакторах различного типа.
Тепловыделяющий элемент (твэл) стержневого типа содержит оболочку с концевыми заглушками, в которой размещен топливный сердечник. Оболочка защищает топливный сердечник от контакта с теплоносителем, от его эрозионного и коррозионного действия и ограничивает возможность загрязнения теплоносителя продуктами деления. Одной из проблем эксплуатации стержневого твэла с таблетированным топливом является растрескивание с последующей фрагментацией топливных таблеток и расклинивание фрагментами таблеток оболочки твэла, небезопасное для ее целостности. К числу причин, вызывающих растрескивание таблеток, наряду с разбуханием топлива относятся значительные температурные градиенты, вызывающие в условиях низкой теплопроводности керамического топлива высокие (для смешанного топлива - специфически 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 термонапряжений ведет к риску разрушения оболочки и ограничивает эксплуатационный потенциал твэла [1].
Возможным решением этой проблемы является повышение прочности и термоустойчивости топлива, заключенного в оболочку твэла, путем введения добавок, изменяющих теплофизические свойства топливного материала и превращающих его в дисперсно-упрочненную керамику, замедляющих процесс образования в материале rim-слоя и повышающих допустимый уровень выгорания топлива.
2
4
Известна таблетка ядерного топлива, содержащая диоксид урана и инертную к облучению добавку в виде MgAlO 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.
2
2
2
2
Известна таблетка, изготовленная из (U,Pu)O с добавкой, выбранной из оксидов Cr, Al, Ti, Mg и Nb. Таблетка изготовлена по технологии смешения, при которой сначала создают начальную смесь порошков с «избыточной концентрацией» плутония по отношению к точно заданному содержанию плутония, которую повторно смешивают с добавкой диоксида урана для получения целевой порошковой смеси; именно эту целевую смесь таблетируют и спекают. Таблетка обладает повышенной равномерностью распределения фазы (U,Pu)O в матрице UO (RU 2352004 С2, 20.11.2007, МПК G21C 3/62). К недостаткам известной таблетки можно отнести ее недостаточную прочность и термоустойчивость: равномерность распределения (U,Рu)O-фазы оптимизирует температурные поля, но только частично снижает термоупругие напряжения в таблетке.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемой таблетке является ядерное топливо, выполненное из диоксида урана с добавкой наноалмаза. Введение наноалмаза снизило твердость керамической композиции. Размер зерна с 20 мкм снизился до ≤5 мкм, прочность, оцененная методом нагружения тонкой пластины, увеличилась в 2 раза и более. При этом характер хрупкого разрушения обычного диоксида и наноструктурированного оксида принципиально различался - трещины в обычном диоксиде повторяли межзеренные границы и скалывались, а в наноструктурированном оксиде трещины были металлоподобны (Дьяков Е.К. и др. Наноструктуированные соединения урана - топливо для перспективных компактных ядерных реакторов. М., Цветные металлы, 2007, №11, с.62-66). К недостаткам известного решения следует отнести непроработанность вопросов распределения фаз в топливе и специфики структурирования наноалмазом смешанного топлива.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому твэлу является твэл ядерного реактора, представляющий собой трубку из оболочечного материала с герметично приваренными концевыми заглушками, во внутреннюю полость которой помещены компактные изделия из спеченного диоксида урана в виде таблеток. Спеченные изделия из диоксида урана загружают в оболочечную трубку с зазором, размер которого зависит от материала оболочки (Емельянов И.Я. и др. Конструирование ядерных реакторов. М., Энергоиздат, 1982, с.183). К недостаткам известного твэла можно отнести недостаточную прочность и термоустойчивость материала его топливного сердечника.
Заявленные технические решения направлены на снижение вероятности фрагментации таблеток ядерного топлива и разрушения оболочки твэла, на повышение допустимого уровня выгорания топлива и обеспечивает достижение технических результатов, состоящих в замедлении процесса образования rim-слоя на периферии таблетки, в повышения ее прочности и термостойкости, в снижении риска расклинивания оболочки твэла фрагментами таблеток.
Технический результат для таблетки достигается тем, что таблетка содержит спрессованный и спеченный порошок смеси однородных по эффективному размеру и плотности частиц соединения U и наноалмаза или спрессованный и спеченный порошок смеси частиц соединения (U,Pu) и наноалмаза. Технический результат для тепловыделяющего элемента достигается тем, что он содержит трубку из оболочечного материала с герметично приваренными концевыми заглушками, во внутренней полости которой с зазором размещен топливный сердечник, собранный из сооеных таблеток ядерного топлива, при этом все или часть таблеток содержат спрессованный и спеченный порошок смеси однородных по эффективному размеру и плотности частиц соединения U или частиц соединения (U,Pu) с наноалмазом.
2
2
Под таблеткой ядерного топлива (топливной таблеткой) в рамках настоящего технического решения понимается керамическое изделие цилиндрической формы, содержащее соединение делящегося вещества (в первую очередь UO, UN, (U,Рu)О и (U,Pu)N; допустимы, но менее перспективны в использовании UC и (U,Pu)C). Наиболее технологичными являются таблетки высотой около 1-2 диаметров, но возможны и иные соотношения размеров, в частности значительно более высокие таблетки.
Наноалмаз - углеродный нанокристаллический материал с кристаллической структурой алмаза (два гранецентрированных куба, сдвинутые друг относительно друга на 1/4 главной диагонали). Кристаллит наноалмаза состоит из алмазного ядра (размер 1-10 нм), в котором атомы углерода находятся в sp3-гибридном состоянии, покрытого оболочкой луковичного углерода, в котором атомы углерода находятся в sр2-гибридном состоянии. Свойства наноалмазов существенным образом зависят от метода получения (получение из природных алмазов физическими методами; синтез при сверхвысоких давлениях и температурах; электронно- и ионно-лучевые методы, облучение углеродсодержащего материала пучками электронов и ионами аргона; детонационный синтез). При термическом воздействии в инертной атмосфере детонационный наноалмаз переходит в углерод луковичной формы - наноразмерную углеродную структуру, образованную вложенными друг в друга углеродными сферами, который при дальнейшем нагреве переходит в нанографит [2]. Применение в таблетировании ядерного топлива известных методов порошковой металлургии, в частности метода компрессионного спекания, с введение наноалмаза на стадии изготовления пресс-порошка обеспечивает образование полиструктурной наноуглеродной матрицы.
Структурирование топлива наноалмазом увеличивает модули упругости и сдвига, одновременно снижая твердость; значительно повышается прочность топлива;
повышается теплопроводность, что смягчает действие температурных градиентов.
пл
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.
В таблетке ядерного топлива, спрессованной и спеченной из смеси частиц соединения делящегося вещества и наноалмаза, образовавшаяся полиструктурная наноуглеродная матрица (первичного наноалмаза и, в ряде случаев, сложных углеродных новообразований) воспринимает основную часть напряжений при температурных градиентах. Распределенные в ней частицы соединения делящегося вещества 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 [3, 4].
Основными параметрами, от которых зависит эффективность упрочнения, являются размер частиц соединения делящегося вещества и расстояние в матрице наноуглеродных структур между ними. Использование известного расчетного механизма Орована с учетом модуля сдвига матрицы Gm и величины вектора Бюргенса позволяет определить оптимальные значения 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 [5].
При этом необходимо учитывать различное эксплуатационное поведение топлива на основе U и топлива на основе (U,Pu). В смешанном (U,Pu) топливе содержание соединения плутония не превышает 30%, то есть фактически основой топлива является соединение урана, но поведение смешанного топлива под облучением в значительной степени определяется именно плутониевой составляющей. Различная стабильность валентных состояний урана и плутония ведет к пространственному перераспределению урана и плутония в топливном материале, которое реализуется в процессе «испарение-конденсация». При наличии температурного градиента давление пара над топливом в центральной части всегда будет больше, чем над топливом в более холодной периферийной области, что и приводит к радиальному изменению состава топлива в таблетке. Более летучее соединение урана конденсируется на холодной стороне, в то время как менее летучее соединение плутония концентрируется в горячей зоне и его концентрация растет в направлении к более горячей зоне таблетки. Эти процессы в условиях низкой теплопроводности топливного материала обусловливают высокие в сравнении с ординарным урановым топливом градиенты температуры, достигающие 700°С/мм, с температурой в центре таблетки выше температуры плавления [1, 6].
В связи с этими принципиальными поведенческими отличиями смешанного топлива от ординарного оценки термонапряжений для таблеток на основе (U,Pu) необходимо проводить с учетом динамики температурных градиентов, обусловленной радиальной миграцией актиноидов.
2
2
2
2
Расчеты показывают, что объемное содержание наноалмаза, равномерно распределенного 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 UO, UN, (U,Pu)O и (U,Pu)N и с учетом сопутствующего процесса разбухания топлива составляет: 1,7-13,8% об. для смеси с UO, 1,3-11,5% об. для смеси с UN, 1,9-17,2% об. для смеси с (U,Pu)O, 1,6-14,3% об. для смеси с (U,Pu)N.
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 наноалмазом. 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 соединения U или (U,Pu), 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.
2
Фактором, влияющим на термостойкость таблетки смешанного топлива, является равномерность распределения фазы соединения Рu в матрице соединения U. Последнее обеспечивается, в первую очередь, способом изготовления пресс-порошка соединения (U, Рu). Эти способы можно разделить на 3 основные группы. Первую группу составляют способы химического соосаждения солей U и Рu (например, AU/PuC-процесс или COPRECAL-процесс). Вторую группу составляют способы механического смешения порошков соединений U и Рu, включающие технологические операции совместного измельчения и грануляции (например, ОКОМ-процесс). Третью группу - способы прямого смешения порошков соединений U и Рu. Способы первой и второй групп обеспечивают получение спрессованного и спеченного продукта с достаточной относительно настоящего технического решения равномерностью распределения фазы соединения Рu в матрице U. Способы третьей группы (прямое смешение) не гарантируют равномерного распределения U и Рu в виде единой фазы (U, Рu)O или (U, Pu)N и их применение в настоящем техническом решении нецелесообразно [7].
Возможности дисперсного упрочнения элементов топливного сердечника углеродными каркасными структурами ограничены требованиями к плотности материала по делящемуся веществу. Дополняющим приемом снижения термических напряжений в твэле является заполнение зазора между топливом и оболочкой материалом с высокой теплопроводностью, например свинцом или сплавом свинца с висмутом. Это позволяет обеспечить отвод тепла от твэлов при относительно низкой температуре топлива.
Дисперсное упрочнение таблетки ядерного топлива наноуглеродными структурами как для топлива на основе U, так и для топлива на основе (U,Pu) эффективно обеспечивает высокую прочность и термостойкость таблетки, повышает ресурс ее работы и снижает риск разрушения оболочки твэла.
2
2
2
Пример 1. Таблетка имеет высоту 9,1 мм и диаметр 7,53 мм. Таблетка изготовлена из порошка смеси 95,0% об. частиц UO и 5,0% об. детонационного наноалмаза. Исходный порошок UO измельчают в шаровой мельнице. Полученный продукт уплотняют путем прессованием шашки с последующими дроблением и грануляцией на ситах. В стандартный «сухой» пластификатор (стеарат цинка) вводят наноалмаз, гомогенизируют смесь. Проводят перемешивание отобранной фракции порошка UO 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 форму цилиндра с отношением высоты к диаметру 1,60. Порошки UN и PuN совместно подвергают операциям измельчения, компактирования, дробления, гранулирования. Отобранную фракцию готовой смеси (94,7% об.) и порошок наноалмаза (5,3% об.) гомогенизируют со стандартным «сухим» пластификатором. Из полученного пресс-порошка формируют сырые таблетки, которые подвергают компрессионному спеканию при температуре ~1540°С и шлифуют.
2
Пример 3. Твэл имеет оболочку из сплава Zn-1%Nb. Топливный сердечник имеет высоту 2485 мм и сформирован из таблеток высотой 9,1 мм и диаметром 7,53 мм. Таблетки изготовлены из порошка смеси UO и 5,0% об. детонационного наноалмаза. Зазор между топливом и оболочкой заполнен свинцом.
2
Пример 4. Твэл имеет оболочку из нержавеющей стали. Топливный сердечник имеет высоту 1060 мм и сформирован из таблеток высотой 6,1 мм и диаметром 5,4 мм. Таблетки изготовлены из порошка смеси (U,Pu)O и 5,3% об. наноалмаза. Зазор между топливом и оболочкой заполнен сплавом свинца с висмутом.
Приведенные выше примеры реализации изобретений не исключают использования иных содержаний наноалмаза в порошке смеси, иных технологий таблетирования и иных технических параметров деталей твэла.
Источники информации
1. Самойлов А.Г. и др. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М., Энергоатомиздат, 1996, с.100-104, 132-135.
2. Долматов В.Ю.и др. Современные промышленные возможности синтеза наноалмазов. Физика твердого тела, 2004, Т.46, Вып. 4. С.596-600.
3. Кем А.Ю. Технологические основы производства порошковых и композиционных наноструктурных материалов и изделий. Ростов н/Д, ИЦ ДГТУ, 2008, с.9.
4. Шевердяев О.Н. Нанотехнологии и наноматериалы. М., Изд-во МГОУ, 2009, с.65-74.
5. Портной К.И. Дисперсно-упрочненные материалы / Портной К.И., Бабич Б.Н., М., Металлургия, 1974, с.14-17.
6. Котельников Р.Б. и др. Высокотемпературное ядерное топливо. М., Атомиздат, 1969, с.132-135.
7. Махова В.А. и др. Усовершенствование методов изготовления уран-плутониевого топлива. Атомная техника за рубежом, 1982, с.16-21.