ТОПЛИВНАЯ ТАБЛЕТКА ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА
FUEL PELLET OF FUEL ELEMENT

Изобретение относится к атомной энергетике, а более конкретно - к элементам конструкции тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), которые применяются в энергетических атомных реакторах, работающих преимущественно по замкнутому энергетическому циклу.
При изготовлении топливных таблеток из материалов, полученных в процессе переработки (регенерации) отработавшего реакторного топлива, возникают значительные трудности, связанные с радиотоксичностью регенерированных материалов. Технология изготовления топливных таблеток включает укладку топливных порошков в пресс-формы, уплотнение заготовок холодным прессованием, отгонку пластификатора, спекание заготовок и контрольные операции по отбраковке таблеток с дефектами. Данный технологический процесс сопровождается образованием мелкодисперсных частиц топливной пыли, что приводит к загрязнению оборудования изотопами урана, плутония, америция и кюрия.
Аналогичные трудности возникают при изготовлении таблеток из нитридного ядерного топлива методом «холодное прессование - отжиг». При высокотемпературном спекании таблеток на основе нитрида урана происходит возгонка фазы UN, которая сопровождается генерацией аэрозолей в печах отжига. Вследствие этого технологический тракт загрязняется изотопами урана. Нитриды, полученные из регенерированных топливных материалов, содержат уран, плутоний, америций и кюрий. Летучесть последних двух элементов существенно выше по сравнению с плутонием, поэтому получаемые возгоны обогащены америцием и кюрием. Загрязнение оборудования радиационно опасными соединениями америция и кюрия представляет серьезную проблему технологий изготовления топливных таблеток.
Для устранения радиационного загрязнения технологического оборудования топливные таблетки изготавливаются в герметичных оболочках. Так, например, известна конструкция топливной таблетки, в которой функцию герметичной защитной оболочки выполняет покрытие из бериллия (см. патент GB 923675, МПК G21, опубл. 18.04.1962). Бериллий, используемый в качестве материала оболочки, обладает достаточно высокой температурой плавления, прочностью и весьма малым сечением поглощения нейтронов. Бериллиевое покрытие может наноситься на топливную таблетку различными методами, например вакуумным осаждением. Толщина бериллиевого покрытия выбирается таким образом, чтобы исключить выход радиотоксичных продуктов деления из топливной таблетки в окружающую среду. Однако существенным недостатком использования бериллия в качестве материала оболочки является его высокая биологическая и нейтронная токсичность.
Известна также топливная таблетка тепловыделяющего элемента, выполненная из делящегося вещества, с внешней технологической оболочкой, которая выполняется из материала с малым сечением поглощения нейтронов (см. патент US 3081249, опубл. 12.03.1963). В качестве делящегося вещества такой таблетки используется оксидное топливо, например диоксид урана. Внешняя оболочка топливной таблетки изготавливается из пасты композитного состава, содержащей смесь жаростойкого оксида металла и органического связующего вещества. Оксиды металлов выбираются из следующей группы: оксиды алюминия, магния, циркония, церия, тория или смеси перечисленных оксидов. Для изготовления защитной оболочки топливной таблетки применяется достаточно сложная технология. Вместе с тем используемая защитная оболочка обладает низкой теплопроводностью, что существенно снижает эффективность использования делящегося вещества в герметичной оксидной оболочке для производства полезной тепловой энергии.
Наиболее близким аналогом изобретения является топливная таблетка тепловыделяющего элемента, содержащая делящееся вещество на основе топливных нитридов, которая помещена в герметичную защитную оболочку, выполненную из молибдена (Котельников Р.Б. и др. Высокотемпературное ядерное топливо. Изд. 2-е. М.: Атомиздат, 1978, с.32, рис.1.9). Нитридные таблетки были получены методом спекания в газостате при температуре ~1480°C. Заготовки изготавливались холодным прессованием порошка UN. Отжиг заготовок производился в герметичных молибденовых оболочках. Наличие оболочки исключает массообмен между топливной таблеткой и атмосферой отжиговой печи. В этом случае снижаются требования по содержанию кислорода в отжиговой печи и требования по спекаемости порошков. Кроме того, герметичная металлическая оболочка исключает повреждения таблетки при выполнении контрольных операций и при сборке ТВЭЛов. Вместе с тем введение в состав топливной таблетки молибдена обеспечивает увеличение теплопроводности топлива, что позволяет увеличить линейную тепловую нагрузку на ТВЭЛ.
Следует отметить, что в качестве материала оболочки топливной таблетки необходимо использовать тугоплавкие металлы, совместимые с нитридами актиноидов до температур от 1800 до 2000°C. Применение тугоплавких металлов, в том числе тантала, ниобия, вольфрама и молибдена, в составе топливной таблетки существенно ухудшает нейтронные и/или технологические характеристики топлива. Например, ниобий имеет приемлемые нейтронные характеристики, однако при облучении в реакторе ниобий становится радиотоксичным, что исключает его рецикл. Применение в качестве материала природного (необогащенного) молибдена также не может быть признано приемлемым из-за его неудовлетворительных нейтронных характеристик.
95
-28
2
-28
2
95
n,γ
При использовании необогащенного природного молибдена существенно увеличивается паразитное поглощение нейтронов. Данный эффект связан с присутствием в составе топлива изотопа молибдена Мо, который обладает большим сечением поглощения нейтронов (σ=14·10 м) и имеет большую величину резонансного интеграла поглощения (Iγ=110÷118·10 м). Массовое содержание изотопа Мо в природном молибдене составляет примерно 16%.
Изобретение направлено на создание топливной таблетки, снабженной защитной герметичной оболочкой, которая обеспечивает требуемые эксплуатационные и технологические характеристики, а именно: минимальное сечение поглощения тепловых нейтронов, высокую теплопроводность и совместимость с делящимся веществом при проведении технологических операций в процессе изготовления топливной таблетки, возможность рецикла облученного материала оболочки.
Решение перечисленных выше задач обеспечивает достижение технического результата, связанного с упрощением технологии изготовления топливных таблеток и сборки ТВЭЛа в целом, при обеспечении высокой энергетической эффективности таблеточного топлива в процессе эксплуатации ТВЭЛа.
92
94
98
100
Указанные технические результаты достигаются при использовании топливной таблетки, содержащей герметичную металлическую оболочку, заполненную делящимся веществом. Согласно изобретению герметичная оболочка таблетки выполняется из сплава на основе молибдена, обогащенного, по крайней мере, одним из следующих изотопов молибдена: Мо, Мо, Мо, Мо.
92
94
98
100
Достижение технических результатов обеспечивается за счет того, что сплавы молибдена, обогащенные изотопами Мо, Мо, Мо, Мо, являются тугоплавкими металлами, обладают высокой теплопроводностью (112 Вт/мК при 1000К), инертны по отношению к делящемуся веществу. Вместе с тем указанные сплавы обеспечивают незначительное паразитное поглощение нейтронов при совместной работе с делящимся топливным материалом. Кроме того, у молибдена отсутствуют долгоживущие радиотоксичные изотопы, что позволяет осуществлять рецикл молибденовых материалов. Нейтронные характеристики используемых изотопов молибдена приведены в таблице №1.
Таблица №1
Изотопы молибдена
Сечения тепловых нейтронов σ(n,γ), 10<sup>-28</sup> м<sup>2</sup>
Резонансные интегралы Iγ, 10<sup>-28</sup> м<sup>2</sup>
Мо<sup>92</sup>
0.019
0.85
Мо<sup>94</sup>
0.015
<1.0
Мо<sup>98</sup>
0.130
6.9
Мо<sup>100</sup>
0.199
3.87
92
94
98
100
Содержание изотопов Мо, Мо, Мо, Мо в составе сплава на основе молибдена может выбираться в каждом конкретном случае в зависимости от конструкции и условий эксплуатации топливных таблеток. Наиболее оптимально массовое содержание указанных выше изотопов в искусственном молибдене, входящем в состав сплава, - от 95 до 99%. Искусственный молибден с необходимой степенью обогащения выбранными изотопами получают путем замещения изотопа
95
92
94
98
100
Мо в составе природного молибдена одним или несколькими изотопами из ряда: Мо, Мо, Мо, Мо.
92
94
98
100
Перечисленные выше свойства герметичных оболочек, выполненных из сплавов на основе молибдена, обогащенного изотопами Мо, Мо, Мо, Мо, позволяют использовать топливные таблетки в составе ТВЭЛов быстрых энергетических реакторов, работающих по замкнутому топливному циклу с коэффициентом воспроизводства Кв≅1 или Кв>1.
6
6
6
6
6
92
95
235
238
235
Получение изотопов молибдена осуществляется таким же методом, как и обогащение урана: изотопы молибдена разделяют по методу газовых центрифуг при использовании исходного вещества в форме гексафторида молибдена (MoF). Эффективность разделения изотопических молекулярных компонентов гексафторида молибдена методом газовых центрифуг достаточно велика. Например, для пары компонентов MoF и MoF эффективность разделения примерно в 1, 5 раза выше по сравнению с парой UF и UF. Распространенность применяемых нейтронопрозрачных изотопов молибдена примерно в 20 раз выше по сравнению с изотопом урана U.
Толщина защитной оболочки может выбираться, в зависимости от конструкции и размеров топливной таблетки, в достаточно широком диапазоне значений: от 0,1 до 1 мм. Исходя из соображений экономии искусственного молибдена толщина должна быть минимально возможной (0,1 мм), что зависит от технологии изготовления молибденовой оболочки. На практике технологически оправдано выбирать толщину герметичной оболочки в диапазоне от 0,3 до 0,4 мм. Применяемые молибденовые сплавы обладают высокой теплопроводностью и слабо поглощают реакторные нейтроны. Введение данных материалов в топливо улучшает эксплуатационные характеристики топлива, связанные с теплопроводностью топлива. Учитывая перечисленные выше свойства молибденовых сплавов, выбор толщины оболочки на практике ограничивается только стоимостью самой оболочки.
Делящийся материал может применяться в форме мелкодисперсного порошкового материала, например в виде оксидов и нитридов изотопов урана. Изготовление топливных таблеток из порошкового материала осуществляется преимущественно методом высокотемпературного или реакционного спекания.
На внутреннюю и/или внешнюю поверхность защитной оболочки может быть нанесено защитное покрытие. В качестве защитного покрытия преимущественно применяются покрытия на основе хрома или вольфрама. Такие покрытия выполняются на поверхности защитной оболочки методом газового осаждения. Необходимость защитных покрытий возникает при переработке топлива для защиты молибденовых деталей от растворения в горячей азотной кислоте, а также при изготовлении топливных таблеток методом реакционного спекания - для исключения диффузионного взаимодействия между сплавом молибдена и металлическим ураном.
Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера выполнения топливной таблетки ТВЭЛа согласно изобретению. На прилагаемом чертеже (см. чертеж) схематично изображены конструктивные элементы топливной таблетки в процессе ее изготовления.
3/2
92
92
94
98
100
92
Топливная таблетка ТВЭЛа представляет собой герметичную оболочку, заполненную делящимся веществом 1, в качестве которого в рассматриваемом примере используется спекаемая смесь порошков UN - U. Герметичная оболочка состоит из двух частей: ампулы 2 и крышки 3, которые соединяются между собой в процессе изготовления топливной таблетки. Оболочка таблетки выполняется из малолегированного сплава молибдена типа TZM, TZC или ЦМ6. Указанные сплавы сохраняют пластичность при комнатной температуре. В рассматриваемом примере реализации изобретения используется сплав на основе искусственного молибдена, обогащенного по изотопу Мо. Данный изотоп молибдена выбран из следующего ряда изотопов: Мо, Мо, Мо, Мо. Степень обогащения молибдена по изотопу Мо составляет 95% (мас.). На внутреннюю и внешнюю поверхность ампулы 2 и крышки 3 нанесено покрытие на основе хрома методом газового осаждения. Толщина оболочки составляет 0,3 мм.
3/2
В процессе изготовления топливной таблетки прессованием формируются ленты, выполненные из молибденового сплава выбранного состава, с профилем ампул 2 и крышек 3. Заготовки ампул 2 и крышек 3 размещены на соответствующих несущих лентах по одному шаблону таким образом, что при наложении двух лент соответствующие заготовки ампул и крышек совмещаются. Лента с заготовками ампул 2 устанавливается на пресс-форме 4 со съемным дном 5. Заготовки таблеток предварительно получают из порошков UN-U методом горячего прессования. Полученные заготовки таблеток укладывают в ампулы 2 и осаждают под прессом. На ампулы 2, полости которых заполнены заготовками таблеток, накладываются крышки 3 путем пространственного совмещения несущих лент. Сборки ампул 2 и крышек 3 герметизируются сваркой или высокотемпературной пайкой по периметру стыка несущих лент.
3/2
Герметизированная сборка ампул с крышками выпрессовывается из пресс-формы 4 и помещается в газостат, где осуществляется реакционное спекание смеси UN-U при температуре 1000°C. Затем сборка заготовок топливных таблеток подвергается высокотемпературному отжигу в газостате при температуре до 1800°C. Отжиг сопровождается диффузионной сваркой состыкованных несущих лент. По окончании отжига топливные таблетки в герметизированных оболочках вырезаются из несущих лент, проводится обработка кромок оболочек и выполняются контрольные операции. После проведения контрольных операций кондиционные топливные таблетки подаются на участок сборки ТВЭЛов.
При спекании топливных таблеток в герметичных оболочках исключены возгоны компонентов топлива, приводящие к появлению аэрозолей, которые содержат радиотоксичные материалы: плутоний, америций, кюрий. Вследствие этого исключается загрязнение технологического оборудования изотопами указанных актиноидов. Кроме того, применение герметичных оболочек в процессе изготовления таблеток существенно снижает предъявляемые технологические требования. В частности, снижаются требования к спекаемости исходного топливного порошка, снижаются требования по содержанию кислорода в атмосфере печей, в которых осуществляется спекание топливных таблеток, исключается абразивный износ пресс-форм. Кроме того, снимаются ограничения по геометрической форме топливных таблеток. Таблетки могут изготавливаться в виде шайб, полуколец, в форме сотовой конструкции. Наличие герметичной металлической оболочки практически исключает повреждения таблеток на участках проверки качества и сборки ТВЭЛов и в целом упрощает технологические операции, производимые с таблетками.
92
94
98
100
В отличие от известных аналогов, при использовании нейтронопрозрачной оболочки перед установкой топливной таблетки в ТВЭЛ не требуется удаление самой технологической оболочки, поскольку оболочка обладает одновременно требуемыми технологическими и эксплуатационными характеристиками. Благодаря применению в качестве материала оболочки сплава на основе молибдена, обогащенного, по крайней мере, одним из следующих изотопов: Мо, Мо, Мо, Мо, оболочка обладает слабым паразитным поглощением тепловых и быстрых нейтронов, высокой теплопроводностью, инертностью по отношению к делящемуся веществу. Вместе с тем появляется возможность рецикла молибденовых материалов. Использование герметичной оболочки выбранного состава позволяет исключить загрязнение радиотоксичными компонентами топлива оборудования на участках спекания, контроля качества топливных таблеток и сборки ТВЭЛов.
В процессе эксплуатации топливной таблетки в активной зоне реактора за счет применения выбранного состава оболочки обеспечивается минимальное паразитное поглощение оболочкой тепловых и быстрых реакторных нейтронов. Совокупность физико-химических, технологических и ядерных характеристик выбранного материала оболочки позволяет использовать топливную таблетку с оболочкой в качестве топливного сердечника энергетического реактора. При этом исключаются технологические операции, направленные на удаление технологических оболочек перед установкой таблеток в ТВЭЛ.
Материал оболочки обладает высокой теплопроводностью, необходимой для равномерного распределения температуры по объему топливной таблетки в процессе эксплуатации в составе ТВЭЛа. При использовании топливной таблетки, имеющей диаметр 15 мм, высоту 3 мм и толщину герметичной оболочки 0,3 мм, величина радиальной теплопроводности таблетки составляет 25 Вт/мК для оксидного топлива и 40 Вт/мК - для нитридного топлива. В случае охлаждения внешней поверхности ТВЭЛа жидкометаллическим теплоносителем до уровня температур от 600 до 650°C температура в центральной части топливной таблетки не превышает 1000°C.
В
В
Топливная таблетка с герметичной оболочкой выбранного состава позволяет осуществить замкнутый топливный цикл при коэффициенте воспроизводства топлива К≅1 или К>1. Возможность рецикла применяемых молибденовых материалов определяется тем, что молибден не имеет долгоживущих радиотоксичных изотопов. При эксплуатации таблетки с оболочкой, выполненной из сплава молибдена, вследствие облучения таблетки реакторными нейтронами происходит охрупчивание оболочки и распухание таблетки. Данные эффекты приводят к разгерметизации оболочки.
Процесс рецикла облученных молибденовых оболочек осуществляется следующим образом.
Расчехлованные топливные таблетки помещаются в вакуумную печь, в которой проводится один или несколько циклов обратимых реакций азотирования-деазотирования нитридного топлива:
2
3/2
3/2
2
UN+1/4N→UN; UN→UN+1/4N
3/2
При протекании данных реакций нитридное топливо превращается в мелкодисперсные химически активные порошки UN или UN, причем молибденовые оболочки не вступают в реакции с азотом. Элементы оболочек и мелкодисперсный топливный порошок далее разделяются на решете при промывке горячей водой. При промывке нитридные фазы делящегося вещества превращаются в оксиды и смываются с решета в виде суспензии оксидов. Молибденовые оболочки не реагирует с водой и остаются на решете. Очищенные от топливного порошка оболочки далее направляются на хранение.
6
После выдержки в течение одного года, сплав на основе молибдена преобразуется в гексафторид молибдена (MoF). Гексафторид молибдена подвергается ректификационной очистке от активирующих примесей. Дезактивированный гексафторид молибдена конвертируется в металлический молибден, который повторно используется в качестве материала герметичных оболочек топливных таблеток. Следует отметить, что рецикл молибдена требует существенно меньших затрат по сравнению с затратами на рецикл топливного материала.
Описанный выше пример реализации изобретения не исключает возможности использования в качестве материала оболочки иных деформируемых и недеформируемых сплавов на основе молибдена. Оболочки топливных таблеток могут применяться без защитных покрытий. Толщина оболочки может изменяться в зависимости от формы и размеров топливной таблетки. Таблетки могут быть изготовлены спеканием в вакуумных печах в инертной атмосфере при нормальном давлении, в газостате при высоких давлениях, либо с помощью комбинации перечисленных выше или иных методов.
92
94
98
100
Однако в любых вариантах конструкции топливной таблетки, выполненной согласно изобретению, существенным признаком, определяющим возможность достижения технического результата, является использование в качестве материала оболочки топливной таблетки сплава на основе молибдена, обогащенного, по крайней мере, одним из следующих изотопов молибдена: Мо, Мо, Мо, Мо. Данное условие обеспечивает упрощение технологии изготовления топливных таблеток за счет исключения загрязнения технологического оборудования радиотоксичными изотопами актиноидов и упрощение процесса сборки ТВЭЛов при высокой энергетической эффективности таблеточного топлива в процессе эксплуатации в составе ТВЭЛов.
Топливные таблетки с герметичными оболочками из молибденового сплава выбранного состава могут использоваться в энергетических атомных реакторах, работающих по замкнутому циклу.