Таблетка ядерного топлива

(51)7 21 3/62 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(72) Курсков Владимир СергеевичИванов Александр ВикторовичБалагуров Николай АндриановичГоловешкин Александр ВасильевичМилованов Олег ВладимировичРябов Владислав ВладимировичШестернин Владимир АпполинариевичБибилашвили Юрий Константинович(73) Открытое акционерное общество Машиностроительный завод , Всероссийский научноисследовательский институт неорганических материалов им. акад. Бочвара Государственного научного центра Российской Федерации(57) Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих сборок энергетических ядерных установок. Сущность изобретения в том, что для повышения степени выгорания топлива, снижения неравномерности пространственно-энергетического распределения нейтронов при сохранении технологических свойств топлива, содержащего двуокись урана и добавку окиси эрбия, содержание окиси эрбия в таблетке ядерного топлива не должно превышать 0,43 вес.по эрбию при плотности смеси от 10,4 до 10,7 г/см 3. Причем открытая пористость спрессованной и спеченной смеси двуокиси урана с добавкой окиси эрбия не должна превышать 1 . 10360 Изобретение относится к ядерной технике, в частности, к конструкциям тепловыделяющих сборок водоохлаждаемых ядерных реакторов, использующих в своем составе таблетки ядерного топлива на основе двуокиси урана с выгорающим поглотителем в виде окиси эрбия. В настоящее время активные зоны ядерных водоохлаждаемых реакторов формируются из тепловыделяющих сборок, содержащих топливо различного состава с добавкой выгорающего поглотителя,что позволяет компенсировать реактивность, выравнивать энерговыделение по объему активной зоны и поддерживать температурный коэффициент реактивности на заданном уровне. В качестве выгорающего поглотителя используются редкоземельные элементы и их оксиды, в частности, эрбий (1) ( 95/04994, 1, 1995). Эрбий при использовании его в качестве выгорающего поглотителя, в отличие от других редкоземельных элементов, вводится в ядерное топливо в значительно меньших концентрациях, что положительно сказывается на физических, теплотехнических и технологических свойствах топлива. В частности, добавление в топливо эрбия оказывает слабое влияние на такой фактор, как коэффициент теплопроводности топлива. Известна тепловыделяющая сборка канального ядерного реактора, охлаждаемого водой, содержащая тепловыделяющие элементы с таблетками ядерного топлива в виде окиси урана , в котором содержится эрбий с концентрацией от 0,3 до 0,8(2) ( 2065627 , 1996). Введение эрбия в топливо канального ядерного реактора типа РБМК (реактор большой мощности канальный) позволяет уменьшить величину эффекта обезвоживания, увеличить подкритичность расхоложенного и разотравленного реактора и увеличить подкритичность реактора после сброса всех стержней СУЗ. Наличие эрбия в топливе РБМК позволяет также осуществить замену в активной зоне дополнительных поглотителей (ДП) на рабочие тепловыделяющие сборки, что повысит глубину выгорания топлива. Таким образом, введение эрбия в топливо тепловыделяющих сборок РБМК позволяет решить несколько проблем, но присущих отмеченному типу реактора. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к описываемому изобретению является таблетка ядерного топлива, содержащая спрессованный и спеченный порошок смеси двуокиси урана (2) с добавкой не менее 0,2 окиси эрбия (2 О 3) (3) ( 91/14268 1, 1991). Наличие эрбия с массовым содержанием от 0,2 до 1,5 в таблетке ядерного топлива в известном водо-водяном реакторе позволяет снизить концентрацию бора в теплоносителе - воде и тем самым снизить температурный коэффициент замедлителя именно для данного типа реактора. Таким образом, использование топлива с добавкой эрбия в достаточно широком диапазоне его со 2 держания предполагает улучшение параметров вышеописанных водоохлаждаемых реакторов с учетом их специфики, но не учитывает некоторое ухудшение характеристик собственно топлива и их влияния на условия эксплуатации реактора. Действительно,при содержании эрбия в топливе более 1 увеличивается неравномерность концентрации эрбия по объему топлива, ухудшаются технологические свойства топлива, что снижает коэффициент его использования. Задачей настоящего изобретения является создание таблетки ядерного топлива, обладающей улучшенными характеристиками собственно топливной части. В результате решения данной задачи реализуются новые технические результаты, заключающиеся в повышении степени выгорания топлива, снижении неравномерности пространственно-энергетического распределения нейтронов при сохранении технологических свойств топлива. Данные технические результаты достигаются тем, что в таблетке ядерного топлива, содержащей спрессованный и спеченный порошок смеси двуокиси урана (2) с добавкой не менее 0,2 окиси эрбия (2 О 3), содержание окиси эрбия в топливе составляет не более 0,46 вес. по эрбию, при плотности смеси от 10,4 до 10,7 г/см 3, причем открытая пористость спрессованной и спеченной смеси двуокиси урана с добавкой окиси эрбия не превышает 1 . Отличительная особенность описываемого изобретения состоит в том, что содержание окиси эрбия в топливе составляет не более 0,46 вес. по эрбию. Экспериментально установлено, что повышение концентрации окиси эрбия выше указанной величины приводит к снижению плотности и увеличению открытой пористости ядерного топлива, что негативно сказывается на его нейтронно-физических параметрах и технологических свойствах. Кроме того, при содержании окиси эрбия в топливе от 0,2 до 0,46 вес. по эрбию существенно снижается неоднородность концентрации эрбия внутри топливной таблетки, что практически исключает влияние на пространственно-энергетическое распределение нейтронов, т.е. на условия работы топлива, поскольку самоблокировка эрбия в этом случае пренебрежительно мала. Причем плотность смеси двуокиси урана с добавкой эрбия после прессования и спекания должна составлять от 10,4 до 10,7 г/см 3. Повышение плотности смеси более 10,7 г/см 3 за счет увеличения усилия прессования приводит к появлению трещин на таблетках, а уменьшение плотности смеси ниже 10,4 г/см 3 окажет негативное влияние на работу топлива с позиций его использования и функционирования в составе активной зоны ядерного реактора. При этом открытая пористость спрессованной и спеченной смеси двуокиси урана (2) с добавкой окиси эрбия не должна превышать 1 , поскольку лишь в этом случае обеспечивается работоспособность данной таблетки. 10360 Целесообразно иметь содержание окиси эрбия в ядерном топливе на уровне 0,410,005 вес. по эрбию. Кроме того, размер зерен порошка смеси двуокиси урана с добавкой окиси эрбия следует выбрать от 10 до 20 мкм. Описываемая таблетка ядерного топлива изготавливается известным образом с помощью обычных средств на стандартном оборудовании. Процесс изготовления предполагает производство топлива в виде двуокиси урана (2) с добавкой окиси эрбия(Е 2 О 3). Топливо должно иметь определенный фазовый состав, средний размер зерна, максимальный размер непрореагировавших частиц и прочие параметры. Технология изготовления таблеток ядерного топлива заключается в следующем. В смесителе, в частности, лопастного типа, готовится двухкомпонентная смесь двуокиси урана и оксида эрбия требуемого состава, которая далее подвергается смешению со стандартным пластификатором. После чего производят грануляцию смеси с пластификатором с последующим измельчением гранул и рассевом на стадии подготовки пресспорошка. После сушки пресспорошка производят прессование таблеток и их спекание. Полученными таблетками снаряжают тепловыделяющие элементы, входящие в состав тепловыделяющих сборок. Согласно данным нейтронно-физических расчетов, при полном переводе канального уран-графитового реактора типа РБМК со штатного топлива на уран-эрбиевое топливо с содержанием эрбия 0,41 средняя глубина выгорания выгружаемого топлива в стационарном режиме перегрузки увеличивается с 21 до 25 МВт сут/кг. Очевидно, что повышение глубины выгорания ядерного топлива повышает выработку тепловой энергии в целом и удлиняет срок эксплуатации тепловыделяющей сборки в составе активной зоны ядерного реактора. Это обусловлено тем, что эрбий, выполняющий функцию выгорающего поглотителя, существенно снижает влияние на реактивность активной зоны загружаемого свежего ядерного топлива, что приво дит к повышению неравномерности энерговыделения по объему активной зоны. При отсутствии эрбия в ядерном топливе избыточная реактивность компенсируется посредством так называемых дополнительных поглотителей, которые поглощают нейтроны. Постоянный паразитный захват нейтронов и приводит к снижению глубины выгорания ядерного топлива. Эрбий в процессе эксплуатации совместно с делящимся веществом (ураном) постоянно выгорает, уменьшая паразитный захват нейтронов. Делящееся вещество устройства при этом не меняется (уран), что сохраняет технологические свойства топлива в целом. Вышеприведенные данные по увеличению глубины выгорания и снижению неравномерности пространственно-энергетического распределения нейтронов нашли полное подтверждение при проведении экспериментальных испытаний. На всех этапах изготовления таблеток ядерного топлива производят контроль их параметров. Контролирование содержания эрбия в топливе может быть осуществлено различными методами, например, рентгено-радиометрическим способом. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Таблетка ядерного топлива, содержащая спрессованный и спеченный порошок смеси двуокиси урана (2) с добавкой не менее 0,2 окиси эрбия (Е 23), отличающаяся тем, что содержание окиси эрбия в топливе составляет не более 0,46 мас. по эрбию при плотности смеси от 10,4 до 10,7 г/см 3, причем открытая пористость спрессованной и спеченной смеси двуокиси урана с добавкой окиси эрбия не превышает 1 . 2. Таблетка ядерного топлива по п. 1, отличающаяся тем, что размер зерен порошка смеси двуокиси урана с добавкой окиси эрбия составляет от 10 до 20 мкм. 3. Таблетка ядерного топлива по п. 1 или п. 2,отличающаяся тем, что содержание окиси эрбия в ядерном топливе составляет 0,410,005 мас. по эрбию.