Таблетка ядерного топлива

(51) 21 3/62 (2011.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ уровне 23 Вт/мК в диапазонах температур 1000 2000 С. Такие значения теплопроводности ограничивают интенсивность тепловыделения в активной зоне реактора. Средняя линейная плотность энерговыделения при этом составляет 1520 Вт/м, а средняя плотность энерговыделения 1040 МВт/т. Для увеличения этих показателей теплопроводность топлива повышают введением в таблетки теплопроводящих компонентов, т.е. так же, как это делают для высокообогащенного топлива активных зон компактных транспортных реакторов. Предлагаемая конструкция таблетки композитная,т.е. представляет собой урандиоксидную матрицу, с расположенной в ней особым образом керамической или металлической теплопроводящей фазой, за счет чего достигается увеличение теплопроводности топлива. Тепло,передаваемое ориентированными монокристаллическими частицами, оптически прозрачными для длин волн теплового диапазона,диспергированными в урандиоксидной матрице,может передаваться как за счет механизма теплопроводности, так и за счет лучистого теплообмена через материал частиц. В качестве теплопроводящей фазы используется , ,молибден и т.п.(72) Русин Юрий Григорьевич Шахов Алексей Павлович Фотин Андрей Евгеньевич Ревуцкая Лариса Михайловна(73) Акционерное общество Ульбинский металлургический завод(57) Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям таблеток легководных реакторов , а также реакторови воднографитовых. В - реакторах используется, как правило,керамическое урандиоксидное топливо (2). Топливо такого вида имеет один существенный недостаток, а именно, низкую теплопроводность на Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям таблеток легководных реакторов , а также реакторови воднографитовых. В - реакторах используется, как правило,керамическое урандиоксидное топливо (2). Топливо такого вида имеет один существенный недостаток, а именно, низкую теплопроводность на уровне 23 Вт/мК в диапазонах температур 10002000 С. Такие значения теплопроводности ограничивают интенсивность тепловыделения в активной зоне реактора. Средняя линейная плотность энерговыделения при этом составляет 1520 Вт/м, а средняя плотность энерговыделения 1040 МВт/т. Для увеличения этих показателей теплопроводность топлива повышают введением в таблетки теплопроводящих компонентов, т.е. также как это делают для высокообогащенного топлива активных зон компактных транспортных реакторов. Предлагаемая конструкция таблетки композитная,т.е. представляет собой урандиоксидную матрицу, с расположенной в ней особым образом керамической или металлической теплопроводящей фазой, за счет чего достигается увеличение теплопроводности топлива. Тепло,передаваемое ориентированными монокристаллическими частицами,оптически прозрачными для длин волн теплового диапазона,диспергированными в урандиоксидной матрице,может передаваться как за счет механизма теплопроводности, так и за счет лучистого теплообмена через материал частиц. В качестве теплопроводящей фазы используется , ,молибден и.т.п. Известно уран-бериллиевое топливо,изготовляемое в АО УМЗ для сердечников транспортных реакторов. Для изготовления таблеток указанного топлива исходными компонентами являются порошки бериллия,диоксида урана и уран. Бериллий используется как восстановитель для диоксида урана. В результате проведения процессов синтеза и спекания компонентов, топливный материал состоит из нескольких фаз (, , бериллид урана, диоксид урана). Структура этого топлива формируется на этапе спекания, когда тугоплавкая фаза (2) оказывается окружена непрерывной,более легкоплавкой, имеющей большую объемную долю. Непрерывная фаза содержит ВеО и имеет высокую теплопроводность, что определяет, в свою очередь,высокую теплопроводность топлива в целом. Небольшой объем урансодержащей фазы в этом топливе компенсируется высоким обогащением урана по изотопу 235 и, в итоге, содержание делящегося изотопа в таблетках достаточно для поддержания эффективной реакции деления. Недостаток такого топлива в том, что его теплопроводность может быть высокой только при большом объемном содержании в его структуре теплопроводной фазы. Такая структура делает его непригодным как топливо для -реакторов,которое состоит в основе своей только из 2. Стремление сохранить высокую теплопроводность топлива с одновременным уменьшением в нем количества теплопроводной фазы приводит к необходимости контролировать е расположение для сохранения е непрерывности. Существуют многочисленные патенты,описывающие процессы и конструкцию топлива, в которых теплопроводная фаза располагается, в итоге, на поверхности частиц или зерен 2,образуя непрерывную сетку. Это достигается предварительным нанесением на частицы 2 порошкообразного теплопроводного материала,либо смешиванием порошка 2 с порошкообразными компонентами, образующими между собой при спекании эвтектический расплав,смачивающий 2 и растекающийся по его зернам. Подобные способы и конструкции описаны в патентах США 2818605 1/1958 2979399 4/1961 3063794 11/1962 3211812 10/1965 3723581 3/1973 3825499 7/1974 3849329 11/1974 3862908 1/1975 3865746 2/1975 3867489 2/1975 3872022 3/1975 3879520 4/1975 3923933 12/1975 4430276 2/1984 5362426 1993 5180527 1991 5429775 1992 5255299 1992 и Японии 55-027939 2/1980 55-027941 2/1980 1-107193 4/1989. Наиболее близким аналогом для топливных таблеток, описанных в настоящем изобретении,является патент США 5180527 от 19.01.1993. Целью этого изобретения является уменьшение температуры в центре таблетки и, как следствие,снижение выделения газообразных продуктов деления (ГПД). Согласно этому патенту, таблетки ядерного топлива для -реакторов состоят из спеченных зерен ядерного делящегося вещества,имеющего непрерывную фазу по границам зерен,состоящую из оксида бериллия или смеси оксида бериллия с одним из таких оксидов, как Т 2, 23 , , , 23, 23, 23, 2,123, 23, 3, 2, 2, 3, 2, 2. Недостатки этого прототипа, использующего оксид бериллия для создания теплопроводящей фазы, следующие. 1. Высокая температура спекания таблеток (2100 С) приводящая к росту зерна до 110160 мкм снижает прочность керамики до минимума. 2. Очень незначительное увеличение теплопроводности указанное в патенте (в 1,081,13 раза), где большие значения соответствуют введению ВеО в твердый - раствор с изначально низким е значением. 3. Большинство указанных в формуле оксидов (особенно 2 группы пер. системы Менделеева) хорошо растворимы в 2, что приведет к образованию при спекании твердых растворов и соответствующему снижению теплопроводности материала. 4. Взаимодействие ВеО с указанными оксидами приводит к образованию соединений (двойных окислов) и твердых растворов. При этом ВеО как индивидуальное соединение с высокотеплопроводной кристаллической решеткой исчезает. Этим можно объяснить такой низкий прирост теплопроводности. 5. Наличие на поверхности частиц и зерен 2 сплошной ВеОфазы затрудняет уплотнение 2-фазы. 6. Декларируемая непрерывная фаза ВеО не имеет пространственной направленности, тогда как поток тепла в топливе направлен по градиенту температуры, т.е. по радиусу таблетки. Это значит,что многие поверхности теплопроводящей фазы не будут участвовать в переносе тепла. Таким образом,в данном прототипе использование ВеО неэффективно. Задачей настоящего изобретения является повышение теплопроводности материала таблеток. Техническим результатом является создание в топливе композитной структуры. Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известной таблетки, представляющей собой керамический диоксид урана с непрерывной,многофазной,теплопроводящей керамической фазой на поверхности зерен, предлагаемая конструкция представляет собой композит из урандиоксидной матрицы, содержащей ВеО в виде отдельных частиц(кристаллов,осколков кристаллов) игольчатой, либо плоской формы,сориентированных в направлении теплового потока,существующего в таблетке, т.е. по радиусу. Поставленная задача решается следующим образом. Для изготовления композита используется порошок 2 мелкофракционного состава (фракции 45-63 мкм и мельче). Частицы ВеО в композите имеют тот же минимальный размер (4563 мкм), что обеспечивает равномерность их распределения при смешивании с 2 и ориентирование поперек направления формования. Для этого используют исходный порошок низкопрокаленного или высокопрокаленного оксида бериллия. Из порошка выделяют фракционированием нужную фракцию. После чего проводят термообработку выделенной фракции при температуре 19701990 С в атмосфере азота или аргона для перекристаллизации материала и залечивания трещин в зернах. Получившийся крупнокристаллический стекловидный материал размалывают, выделяют плоские осколки фракции 4563 мкм, и вновь подвергают термообработке для залечивания трещин, либо используют без таковой. Могут быть использованы фракции ВеО в виде игл,образующиеся при перекристаллизации низкопрокаленного ВеО во влажном аргоне или водороде. Вводимое в 2 количество ВеО в композите невелико и может быть в пределах 13 масс, от веса топлива. Смесь формуют и спекают обычным образом, как 2. Положительный эффект заключается в том, что такая конструкция, имея преимущественную ориентировку частиц теплопроводящей фазы вдоль теплового потока, обладает, за счет лучшего е использования, более высокой теплопроводностью по сравнению с композитом без ориентировки дисперсной фазы. Дополнительный положительный эффект проявляется в том, что материал частиц теплопроводящей фазы не имеет межзеренных границ т.к. представлен в основном осколками кристаллов, что так же увеличивает его теплопроводность из-за отсутствия рассеяния фононов на границах. Дополнительный положительный эффект проявляется так же в том, что благодаря высокой оптической прозрачности ВеО в области длин волн теплового диапазона, часть тепла в топливе переносится излучением, т.е. ориентированные частицы работают как световоды, что ещ более повышает эффективную теплопроводность топлива. Расчет показывает, что при 1000 С повышение теплопроводности при содержании ВеО 3 масс. по сравнению с топливом в виде 2, будет не менее 21. Еще больший эффект будет при введении ВеО в - топливо. Пример осуществления. Порошок 2 измельчается и просеивается через сито для выделения частиц заведомо меньшего размера, чем частицы ВеО. Из ВеО низкообожженного сорта выделяется крупная фракция частиц 200500 мкм,загружается в печь и перекристаллизовывается в атмосфере влажного аргона при 1980 С до размера зерна не менее 200500 мкм. Перекристаллизованный ВеО измельчается, из него выделяются осколки размером 4563 мкм и смешиваются с порошком 2. Смесь формуется в сырые таблетки плотностью 5,205,80 г/см , которые спекают в восстановительной атмосфере при 1750 С 110 часов. Получившиеся таблетки имеют равномерную структуру и размер зерна урановой матрицы 525 мкм. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Таблетка ядерного керамического топлива,состоящая из вещества ядерного топлива (2) и вещества теплопроводной фазы, распределенного в нем, отличающаяся тем, что направление теплового потока в топливе совпадает с ориентацией теплопроводной фазы,представляющей собой оптически прозрачные частицы оксида бериллия из монокристаллического материала игольчатой, либо пластинчатой формы,размерами 40200 мкм, содержание которых в топливе составляет 110 масс. 2. Таблетка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве теплопроводящей фазы использован карбид кремния, либо молибден. 3. Таблетка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве теплопроводящей фазы использованы ВеО,карбид кремния, молибден в различных сочетаниях.