КЕРАМИЧЕСКОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО
CERAMIC NUCLEAR FUEL

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к производству керамического ядерного топлива, используемого в тепловыделяющих элементах ядерных реакторов.
Известно керамическое ядерное топливо на основе диоксида урана, модифицированное ультрадисперстным (наноструктурным) порошком диоксида урана (патент RU №2186431, G21С 3/00, 2002). Модифицирование керамического ядерного топлива на основе диоксида урана ультрадисперсным порошком того же материала приводит к снижению размера зерна топливного материала, повышению механических свойств трещиностойкости и снижению температуры спекания при изготовлении топливных таблеток.
Недостатком известного керамического топлива на основе диоксида урана является высокое распухание под воздействием реакторного облучения, составляющее 3-6% на 1% выгорания при температуре 2000°К в течение 5000 час.
Этот недостаток связан с тем, что образующиеся в результате деления ядерного топлива газообразные и твердые осколки деления оказывают механическое воздействие на топливный элемент (твэл), что приводит к его распуханию, образованию трещин и, в некоторых случаях, нарушению целостности защитной оболочки твэла.
2
2
2
2
Известно керамическое ядерное топливо дисперсионного типа, представляющее собой сердечник (сферу) из топливосодержащего соединения (UO, UC, ThC, PuO), размещенный в непрерывной матрице из неделящегося материала (А.Г.Самойлов. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат. 1985, с.79-87). Ядерное топливо дисперсионного типа сочетает в себе прочность керамического сердечника с пластичностью и хорошими ядерно-физическими и коррозионными свойствами матрицы.
Наиболее распространенным материалом матрицы является пироуглерод (РуС) в виде покрытия, наносимого на топливные сердечники (сферы) методом термического разложения углеводородов (метан, этан, пропан, ацетилен, бензол, толуол) в реакторах с кипящем слоем.
Недостатком известного керамического ядерного топлива дисперсионного типа является неудовлетворительная радиационная стойкость покрытий в процессе реакторного облучения, связанная с разрушением топливных сфер и покрытий вследствие образования газообразных и твердых продуктов деления топлива. Для удержания осколков деления применяют трехслойное покрытие: слой пористого пироуглерода, позволяющий компенсировать термическое расширение топлива, слой плотного карбида кремния и прочный слой плотного пироуглерода. Покрытие из SiC должно удерживать продукты деления при высоких температурах, а слой РуС - газообразные продукты деления. Однако проблема разрушения покрытий под действием распухания топлива и давления, создаваемого осколками деления и давления окислов углерода вследствие взаимодействия РуС с топливом, остается не решенной.
С целью снижения повреждаемости (распухания) оболочки твэла между топливным сердечником и оболочкой создается радиальный зазор до 0,3 мм и компенсационный объем над топливом для уменьшения давления газообразных осколков деления под оболочкой.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту предлагаемому керамическому ядерному топливу - прототипом - является керамическое ядерное топливо, содержащее химическое соединение делящегося материала на основе диоксида, карбида и/или нитрида урана и наноструктурный углеродный модификатор - наноалмаз (Е.К.Дьяков, В.Д.Бланк. Цветные металлы. №11, 2007, с.с.62-66).
Недостатком известного керамического ядерного топлива является неудовлетворительная радиационная стойкость топлива, связанная с образованием твердых и газообразных продуктов деления в процессе эксплуатации и выгорания делящегося материала.
Модифицирование керамического ядерного топлива наноструктурным углеродным материалом - наноалмазом приводит к повышению прочности и модуля Юнга, снижению хрупкости и температуры спекания материала, а также размера зерна топливного материала, однако проблема радиационной стойкости известного керамического ядерного топлива остается не решенной.
Целью данного изобретения является повышение радиационной стойкости керамического ядерного топлива.
Поставленная цель достигается тем, что керамическое ядерное топливо, содержащее химическое соединение делящегося материала и наноструктурный углеродный модификатор, согласно изобретению в качестве наноструктурного углеродного модификатора оно содержит фуллерены и/или фуллереноподобные структуры при следующим соотношении компонентов, в об.%:
фуллерены и/или фуллереноподобные структуры
2-10
химическое соединение делящегося материала
остальное
60
60
60
3
Сущность заявленного керамического ядерного топлива заключается в следующем. Фуллерен представляет собой шаровидную молекулу углерода. Молекула фуллерена С состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Радиус фуллерена С равен 0,3512 нм, толщина углеродной оболочки - 0,0529 нм, в центре фуллерена образована практически свободная от электронов полость радиусом 0,3 нм, так что молекула С является как бы пустой клеткой объемом 0,113 нм, куда могут входить атомы других элементов, если атомы последних имеют размер, позволяющий им вписываться в имеющуюся полость. Эта полость может быть заполнена атомами, молекулами, ионами, радикалами и прочими видами частиц. Молекулы фуллеренов, которые содержат внутри себя молекулы или атомы других веществ, получили название эндроэдральных соединений - эндофуллерены. В настоящее время синтезированы десятки эндофуллеренов.
К фуллереноподобным структурам относятся углеродные нанотрубки (одностенные и многостенные) и графеновые нановолокна.
Одностенные нанотрубки представляют собой свернутый в цилиндр графеновый лист моноатомной толщины. Диаметры и длины нанотрубок находятся соответственно в пределах 0,8-5 нм и 1-500 нм.
Многослойные нанотрубки составлены из вложенных друг в друга коаксиальных одностенных нанотрубок. Графеновые нановолокна преимущественно состоят из плоскопараллельных графеновых пластинок с межплоскостным расстоянием примерно 3,4 нм.
2
Углеродные нанотрубки и нановолокна имеют аномально высокую удельную поверхность (до 3000 м/г), что определяет их сорбционные характеристики. Углеродные нанотрубки и нановолокна следует рассматривать как уникальную емкость для хранения веществ, находящихся в газообразном, жидком либо твердом состоянии. При этом графеновая оболочка обеспечивает достаточно хорошую защиту содержащегося в ней материала от внешнего химического либо механического воздействия.
Фуллерены и фуллереноподобные структуры (углеродные нанотрубки и графеновые нановолокна) следует рассматривать как уникальное средство хранения материалов в течение длительного времени.
В результате ядерной реакции и деления ядерного топлива высвобождается более 60 видов осколков деления, основными из которых являются:
Кr, Хе - образующие газовые пузыри и поры;
Rb, Cs, Те, Br, I - легкоподвижные;
Rn, Rh,PoL - выделяющиеся в металлической фазе;
Мо, Те - в металлической или оксидной фазе;
Sr, Ba - переходящие в оксидную фазу;
Y, Zr, Nb - образуют оксиды, частично растворяющиеся в топливе;
2
O - окислитель металлов.
Атомный радиус указанных радиактивных осколков деления находится в пределах от 0,13 нм для Sr до 0,29 нм для Cs, что позволяет им беспрепятственно проникать и заполнять свободные полости фуллеренов и фуллереноподобных структур.
Свободный объем фуллеренов, способный поглощать молекулы и атомы образующихся осколков деления, составляет 70% от его общего объема.
Зависимость реакторного распухания ядерного топлива от температуры облучения, флюенса быстрых нейтронов и времени испытаний (эффективных часов) приведена в таблице.
Ядерное топливо
Температура облучения, °С
Флюенс б/н, н/см<sup>2</sup>
Время испытаний, эф.час
Распухание, %
UO<sub>2</sub>
800-1000
(2-4)·10<sup>21</sup>
300
3,0-4,0
1000-1350
4,5
UN
1000-1400
(8-10)·10<sup>21</sup>
300
1,5-2,0
Для полной компенсации реакторного распухания ядерного топлива в пределах от 1,5 до 4,5% достаточно ввести в состав химического соединения делящегося материала 2,15-6,43 об.% фуллеренов или фуллереноподобных структур.
Поскольку реакторное распухание может превышать указанные в таблице значения и при более жестких реакторных испытаниях достигать 6%, следовательно, количество фуллеренов и фуллереноподобных структур в состав химического соединения делящегося материала целесообразно вводить в пределах от 2 до 10 об.%.
Пример:
3
6
2
3
3
Фуллерены и фуллереноподобные структуры получали пиролизом СН на частицах углерода с нанесенными на их поверхность катализаторов из оксидов FеО-NiO при температуре 1000°С-1250°С с последующей экстракцией фуллеренов и фуллереноподобных структур с отделением частиц углерода. Полученный продукт экстракции содержал порядка 60 мас.% фуллеренов и остальное фуллереноподобные структуры - однослойные и многослойные нанотрубки и графеновые нановолокна.
Фуллерены и фуллереноподобные структуры смешивали в шаровой мельнице с керамическим топливом - диоксидом урана, мононитридом и монокарбидом урана, прессовали топливные таблетки и спекали в атмосфере инертного газа (аргон) при температуре 1800°С.
В таблице приведены данные по реакторному распуханию предложенного керамического ядерного топлива, содержащего фуллерены и фуллереноподобные структуры в сопоставлении с реакторным распуханием известного керамического ядерного топлива.
Как следует из приведенных в таблице данных предложенное керамическое ядерное топливо (примеры 1-3, 5-7, 9-11) обеспечивает в сравнении с известным ядерным топливом (примеры 4, 8, 12) повышение радиационной стойкости, а в некоторых случаях полностью исключает реакторное распухание.
Снижение содержания фуллеренов и фуллереноподобных структур в топливе менее 2 об.% становится малоэффективным, а увеличение содержания более 10 об.% нецелесообразно, т.к. при этом снижается загрузка топлива и, следовательно, эффективность реактора.