ПРИПОЙ ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ЗАГОТОВКИ СТЕРЖНЯ ТОПЛИВНОГО СЕРДЕЧНИКА КЕРМЕТНОГО ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
SOLDER FOR SEALING ROD WORKPIECE OF FUEL KERNEL OF NUCLEAR REACTOR CERMET FUEL ELEMENT

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к технологии изготовления стержней топливных сердечников керметных твэлов.
Одним из направлений в ядерной энергетике является использование твэлов, в которых керметные тепловыделяющие сердечники набраны из стержней (см., например, Федик И.И., Гаврилин С.С. и др. "Новое поколение твэлов на основе микротоплива для ВВЭР". - М.: Атомная энергия, 2004, т.96, вып.4, с.280).
Для изготовления такого стержня используется заготовка, выполненная в виде трубы из циркониевого сплава, заполненной засыпкой порошка ядерного топлива с покрытием из материала матрицы и закрытой с торцов двумя цилиндрическими заглушками (см. Гаврилин С.С., Денискин В.П., Леонов А.В., Федик И.И. "Способ изготовления керметного стержня топливного сердечника тепловыделяющего элемента ядерного реактора". Патент РФ №2305334 от 15.03.06, опубл. 27.08.2007. Бюл. №24).
Такая конструкция заготовки предполагает герметизацию полости трубы, заполненной засыпкой порошка ядерного топлива, с помощью пайки, причем припой размещается в проточке заглушки.
Известен четырехкомпонентный припой (Zr-8Fe-8Nb-2,2Be, % мас.), выполненный в виде аморфной ленты толщиной 20-40 мкм или мелкодисперсного порошка, изготовленного дроблением ленты, которые при создании паяного соединения размещаются между элементами конструкции из циркониевых материалов (см., например, Калин Б.А., Федотов В.Т., Севрюков О.Н. и др. «Разработка и применение быстрозакаленных припоев для прецизионной пайки конструктивных элементов атомной техники». Вопросы атомной науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы. Выпуск 1 (64), 2005 г., с.182-189).
Недостатком применения такого припоя является невозможность совмещения операций дегазации загруженных в заготовку материалов и герметизации заготовки пайкой при использовании одного и того же нагревательного оборудования. Это обусловлено для рассматриваемого припоя низкой температурой создания паяного соединения (815-865°C), недостаточной для завершения операции дегазации материалов.
Известен также припой, состоящий из смеси порошков меди и циркония в массовом соотношении (0,17-0,25):(0,83-0,75), консолидированных органической связкой, например глицерином (см. Гаврилин С.С., Денискин В.П., Леонов А.В., Федик И.И. "Заготовка стержня топливного сердечника керметного тепловыделяющего элемента ядерного реактора", описание изобретения к патенту РФ №2305333 от 15.03.06. Бюл. №24, 27.08.2007). В этом припое применены порошки меди и циркония, поставляемые промышленностью.
Недостатком припоя является то, что при дегазации заготовки удаление связки связано с неконтролируемым выносом мелких фракций порошков, которые всегда присутствуют в поставляемых материалах. Такой вынос увеличивает вероятность изменения заданного массового соотношения компонентов припоя, что приводит к образованию нежелательных эвтектических соединений медь-цирконий и, как следствие, непропаю шва и нарушению герметичности заготовки. Этот недостаток усугубляется в случае подачи материала матрицы в засыпку в виде гидрида циркония, преобразуемого при дальнейшей температурной обработке в циркониевую матрицу. Выделяющийся при этом в большом количестве водород истекает из заготовки через зазоры между заглушками и трубой заготовки, дополнительно увеличивая вероятность выноса мелких фракций припоя.
По совокупности существенных признаков последний припой наиболее близок к предлагаемому припою и выбран в качестве прототипа.
Сущность изобретения состоит в следующем. Предлагаемый припой выполнен из смеси порошков циркония и меди в массовом соотношении (0,17-0,25):(0,83-0,75), причем порошок меди выбран фракцией 10-50 мкм из партии с основной фракцией 5-10 мкм, а порошок циркония выбран фракцией 50-100 мкм из партии с основной фракцией 100-140 мкм.
От прототипа этот припой отличается определенным выше фракционным составом.
Экспериментально показано, что циркониевый порошок, отобранный фракцией 50-100 мкм из партии порошка с основной фракцией 100-140 мкм, не захватывается потоками выделяющихся газов, а припекание частиц меди к частицам циркония закрывает каналы свободного выхода для частиц меди размером более 10 мкм.
Пример практической реализации предлагаемого припоя
При изготовлении предлагаемого припоя порошок циркония основной фракции 100-140 мкм подвергали рассеву на ситах с отбором фракции 50-100 мкм. Отобранную фракцию обеспыливали промывкой в трихлорэтилене. Порошок меди фракции 10-50 мкм из партии с основной фракцией 5-10 мкм получали осаждением порошка в вязкой среде на основе водного раствора глицерина. В качестве органической связки припоя использовался глицерин.
Применение приготовленного припоя при изготовлении заготовок с засыпкой порошка ядерного топлива с покрытием позволил увеличить выход годных по герметичности с 90 до 100%. Герметичность заготовок определялась при проведении операции обжатия оболочки заготовки на засыпку порошка ядерного топлива с покрытием внешним давлением аргона сразу после проведения операций дегазации и герметизации.
Таким образом, отличие предлагаемого припоя от известных обеспечивает удержание порошков в месте их размещения (проточки заглушек) при дегазации заготовки, что увеличивает выход годных по герметичности заготовок.