Результат интеллектуальной деятельности: МИКРОТВЭЛ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к микротвэлам ядерного реактора.

Микротвэл (МТ) ядерного реактора - это топливная микросфера (ТМ) из делящегося материала (UO₂, UC, UC₂, PuO₂ и др.) с многослойным защитным покрытием, например, из пироуглерода (PyC), карбида кремния (SiC) или карбида циркония (ZrC).

Защитное покрытие на ТМ выполняет многоцелевые функции, основная из которых является удержание газообразных (ГПД) и твердых (ТПД) продуктов деления.

В процессе облучения внутри МТ развиваются высокие давления ГПД и СО/CO₂-продукты взаимодействия PyC с выделяющимся в результате деления ядер урана или плутония кислородом. Основным силовым слоем МТ, противодействующим высокому внутреннему давлению газов, является SiC или ZrC.

Однако карбидные (SiC, ZrC) слои подвержены существенной химической коррозии со стороны СО. В совокупности с анизотропной радиационной усадкой РуС, приводящей к образованию трещин - прямых каналов доставки СО от ТМ к карбидному слою, могут реализовываться варианты возникновения локальной коррозии силового слоя. Последняя, в совокупности с возрастающим внутренним давлением газов, приводит к увеличению вероятности разрушения карбидного слоя, т.е. к полной разгерметизации МТ.

Характеристики покрытий (толщина слоев, плотность, параметры кристаллической структуры и др.) оптимизируются с учетом конкретных условий работы реактора.

Известен микротвэл ядерного реактора на основе топливной микросферы из UO₂ и многослойного покрытия, первый слой которого выполнен из пироуглерода низкой плотности, второй слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода, третий слой выполнен из карбида кремния, четвертый слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода (Schenk W., Pott G. and Nabielek H. Fuel accident performance testing for small HTRs. - J. of Nucl. Mater., 171, 1990, p.19-30).

Недостатком указанного микротвэла является высокая повреждаемость карбидного слоя монооксидом углерода. Наиболее заметно это проявляется при высоком (более 5%) выгорании топлива, когда образующийся при выделении урана кислород практически полностью выходит из ТМ, взаимодействует с PyC с образованием СО и, диффундируя по трещинам во внутреннем высокоплотном слое, вступает во взаимодействие с SiC по реакции SiC+2СО⇔SiO₂+3C.

Образующаяся на внутренней поверхности SiC слоя оксидная фаза приводит к разрушению SiC. Мигрирующие от ТМ металлические продукты деления образуют легкоплавкие эвтектики с SiO₂, что также приводит к разупрочнению силового карбидокремниевого слоя. По ослабленным границам зерен интенсифицируются процессы диффузии таких радиологически опасных продуктов деления, как Cs, Ag, Sr, Ba и др., что приводит к загрязнению теплоносителя и всего оборудования первого контура ядерного реактора. Все эти перечисленные факторы ограничивают ресурс эксплуатации микротвэла, т.е. глубину выгорания топлива.

Известен микротвэл ядерного реактора на основе топливной микросферы из UO₂ и многослойного покрытия, первый слой которого выполнен из пироуглерода низкой плотности, второй слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода, третий слой выполнен из карбида циркония, четвертый слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода (Minato К., Ogawa Т., Fukuda К. et.al. Fission product realease from ZrC-coated fuel particles during postirradiation heating at 1600°C. - J. of Nucl. Mater., 224, 1995, p.85-92).

В ходе выполнения экспериментов по облучению МТ при температуре 900°С и выгорании топлива 1,5% fima (тяжелых атомов) измеренная утечка газов (⁸⁸Kr) составила значения от 2·10^-7 до 4·10^-7. Это указывает на то, что слои PyC и ZrC являются практически непроницаемыми для ГПД и сохраняют структурную целостность. Однако проницаемость Cs и Ag через слой ZrC была повышенной и особенно это проявилось при высокотемпературных отжигах облученных МТ. Подобный эффект может быть объяснен коррозионным воздействием СО на ZrC, в результате которого происходит ослабление границ зерен карбидного покрытия и создание облегченных путей диффузии ТПД. Это приводит к ограничению ресурса эксплуатации МТ, что особенно ощутимо будет проявляться при повышенных (более 900°С) температурах облучения МТ.

Наиболее близким аналогом-прототипом предложенному техническому решению является микротвэл ядерного реактора, содержащий топливную микросферу на основе UO₂ и многослойное защитное покрытие, в котором первый слой выполнен из пироуглерода низкой плотности, второй слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода, третий слой выполнен из карбида циркония или карбида кремния, четвертый слой выполнен из высокоплотного изотропного пироуглерода (Minato К., Fukuda К., Sekino H. et.al. Deterioration of ZrC-coated fuel particle caused by failure of pyrolytic carbon layer. - J. of Nucl. Mater., 252, 1998, p.13-21).

Недостатком указанного микротвэла является повреждаемость карбидных слоев, особенно на стадии глубокого выгорания топлива, монооксидом углерода. В результате коррозионного воздействия СО существенным образом возрастает проницаемость ТПД через карбидные слои, что ограничивает ресурс эксплуатации микротвэла.

Повреждаемость карбидных слоев при облучении МТ обусловлена целым рядом параллельно протекающих превращений:

- образование в процессе деления UO₂ кислорода, взаимодействие кислорода с PyC и образованием СО;

- усадка PyC-слоев, развитие в них напряжений и, как результат, анизотропных радиационно-размерных изменений, образование сквозных (до SiC или ZrC) радиальных трещин;

- транспортировка СО по трещинам и взаимодействие с карбидным слоем по реакции ZrC+2CO→ZrO₂+3С или SiC+2СО→SiO₂+3C

- результатом взаимодействия СО с карбидом является образование оксикарбидной или оксидной фазы на внутренней поверхности слоя, являющейся концентратором напряжений;

- поскольку в совокупности с возрастающим внутренним давлением ГПД напряжения являются растягивающими, что критично для керамических материалов, то все вышеперечисленные изменения в покрытиях будут приводить к возрастанию вероятности разрушения всей многослойной конструкции МТ.

Перед авторами предлагаемого технического решения стояла задача повышения ресурса эксплуатации (глубины выгорания топлива) микротвэла за счет повышения коррозионной стойкости силового карбидного слоя.

Поставленная задача решается тем, что микротвэл ядерного реактора, содержащий топливную микросферу на основе UO₂ и многослойное защитное покрытие, состоящее из последовательно нанесенных на топливную микросферу слоя из пироуглерода низкой плотности, внутреннего слоя из высокоплотного изотропного пироуглерода, слоя из карбида циркония или карбида кремния, наружного слоя из высокоплотного изотропного пироуглерода, дополнительно содержит слой карбида титана состава TiC_0,62-TiC_0,96 пористотью 3-10%, который размещен между внутренним слоем высокоплотного изотропного пироуглерода и слоем карбида циркония или карбида кремния.

Каждый из слоев предложенного микротвэла ядерного реактора выполнят следующие функции:

- первый слой из пироуглерода низкой плотности создает свободный объем для локализации ГПД и СО, компенсирует несоответствия в коэффициентах линейного термического расширения между ТМ и высокоплотными слоями;

- второй слой из высокоплотного изотропного пироуглерода является диффузионным барьером для ГПД;

- третий слой из карбида титана состава TiC_0,62-TiC_0,96 и пористостью 3-10%, является геттером по отношению к СО и диффузионным барьером для малоподвижных ТПД;

- четвертый слой из карбида циркония или карбида кремния является основным силовым слоем, противостоящим высокому внутреннему давлению ГПД и диффузионным барьером для ТПД;

- пятый слой из высокоплотного изотропного пироуглерода защищает хрупкий ZrC- или SiC-слой от механических повреждений.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем. В результате деления UO₂ кислород взаимодействует с PyC, образуя СО. Параллельно вышеуказанным превращениям протекают процессы усадки PyC, приводящие к развитию напряжений в слоях. Результатом релаксации напряжений являются трещины в PyC, являющиеся каналами доставки СО к карбидному слою ZrC или SiC, вызывая локальную коррозию в местах выхода трещины. Последняя является концентратором растягивающих напряжений, которые по мере роста внутреннего давления ГПД существенно повышают вероятность разрушения всего многослойного покрытия МТ.

Введение в состав МТ пористого слоя из карбида титана состава TiC_0,62-TiC_0,96 существенным образом уменьшает коррозионную нагрузку на силовой слой ZrC или SiC. Экспериментально показано, что использование карбида титана стехиометрического состава не позволяет в полной мере использовать его функции, как геттера СО, из-за протекания преимущественной реакции TiC+CO→TiC_1-x+C+хСО, что приводит к разрыхлению структуры карбида титана и генерированию следующей порции хСО. Если же использовать карбид титана, дефектного по углероду, то поглощение СО в нем будет протекать по следующей схеме: TiC_1-x+2CO→TiO₂+3С. С этой точки зрения рекомендуемым для использования в составе МТ является достехиометрическай карбид TiC_0,62-TiC_0,96. Карбиды титана состава менее TiC_0,62 и более TiC_0,96 получить методом химического осаждения из газовой фазы сложно из-за возможности образования композиции со свободным Ti (для состава менее TiC_0,62) или свободным С (для состава TiC_0,96). Пористость карбида титана ограничена значениями 3-10%, т.к. при пористости более 10% карбид титана становится проницаемым для ГПД, а при пористости менее 3% недостаточно объема для компенсации изменения линейных размеров карбидного слоя под облучением и распределения образующегося в результате коррозии TiO₂.

Приведем пример осуществления предлагаемого микротвэла.

Пятислойное защитное покрытие на топливные микросферы из диоксида урана диаметром 500 мкм последовательно осаждают в кипящем слое:

- первый слой из низкоплотного пироуглерода - температура пиролиза 1450°С, концентрация С₂Н₂ в смеси с аргоном 60 об.%, суммарный расход газовой смеси 1500 л/ч;

- второй слой из высокоплотного изотропного пироуглерода - температура пиролиза 1300°С, концентрация С₃Н₆ в смеси с аргоном 630 об.%, суммарный расход газовой смеси 1400 л/ч;

- третий слой из карбида титана - температура пиролиза 1300°С, концентрация TiCl₄ 4,0 об.%, концентрация CH₄ - 2,0 об.%, расход аргона 600 л/ч, расход водорода 900 л/ч;

- четвертый слой из карбида циркония - температура пиролиза 1500°С, концентрация ZrCl₄ - 1,5 об.%, концентрация СН₄ - 1,0 об.%, расход водорода 1500 л/ч или из карбида кремния - температура пиролиза 1550°С, концентрация СН₃SiCl₃ - 1,0 об.%, расход водорода - 1500 л/ч;

- пятый слой из высокоплотного изотропного пироуглерода осаждают по режиму второго слоя и при суммарном расходе газовой смеси 1600 л/ч.

Оценки показывают, что введение в состав МТ пористого слоя из карбида титана состава TiC_0,62-TiC_0,96 позволяет решить проблему уменьшения суммарного давления ГПД+СО по крайнем мере на 20% и, что более важно, подавить коррозионное воздействие СО на силовые слои (ZrC или SiC). Это позволяет повысить ресурс эксплуатации (глубину выгорания топлива) МТ с 10-15% тяжелых атомов (прототип) до 20% т.ат. и более при температурах облучения топлива 1100-1250°С.