Способ нанесения защитного барьерного покрытия из карбида циркония на внутреннюю поверхность графитового тигля

(51) 23 26/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ характеристик графитового тигля за счет нанесения защитной пленки из карбида циркония. И как следствие решение исследовательской задачи получение расплава компонентов активной зоны в различных соотношениях при условии присутствия циркония в исходной шихте. Предложен способ в малогабаритный исследовательский тигель(внутренний диаметр 27 мм, высота 44 мм) помещается кольцо, изготовленное из листового металлического циркония (сплав Э 110) толщиной 0,8 мм наружным диаметром равным внутреннему диаметру тигля. Благодаря упругим свойствам циркония кольцо расклинивается в верхней части тигля и достаточно плотно прилегало к стенке тигля. Кроме того,для предотвращения его преждевременного падения верхней части кольца выполняется отбортовка кромки. Подготовленную таким способом сборку теплоизолируют и помещают в индукционную печь и нагревают до температуры 1900 С с выдержкой 2-3 минуты. Таким способом на внутренней поверхности тигля получается покрытие толщиной от 70 до 150 мкм. Масса циркония, необходимая для получения полного покрытия тигля внутренним диаметром 27 мм и высотой 44 мм, равна 4,50, 3 г, т.е., около 0.15 г/см 2 поверхности. Максимальная рабочая температура полученного покрытия в контакте с расплавом достигла 2650 С, что свидетельствует об эффективности предлагаемого способа нанесения покрытия циркония.(72) Бакланов Виктор ВладимировичСкаков Мажын КанапиновичЖданов Владимир СеменовичКукушкин Иван МихаиловичКурбанбеков Шерзод Рустамбекович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Национальный ядерный центр Республики Казахстан Комитета по атомной энергии Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан(54) СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО БАРЬЕРНОГО ПОКРЫТИЯ ИЗ КАРБИДА ЦИРКОНИЯ НА ВНУТРЕННЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ ГРАФИТОВОГО ТИГЛЯ(57) Изобретение относится к области реакторостроения,а именно к области конструирования систем локализации расплава активной зоны ядерного реактора, предназначенных для снижения радиоэкологических последствий тяжелой аварии. Задача, решаемая изобретением,заключается в применении циркония, как элемента расплава, снижающего влияние взаимодействия между компонентами расплава и углеродом. Технический результат от использования изобретения - улучшение эксплуатационных Изобретение относится к области реакторостроения,а именно к области конструирования систем локализации расплава активной зоны ядерного реактора, предназначенных для снижения радиоэкологических последствий тяжелой аварии. Расплав (кориум) образуется при тяжелой аварии с расплавлением активной зоны,сопровождаемой разрушением корпуса реактора. Одной из важнейших задач снижения тяжести последствий тяжелой аварии на ядерном реакторе является сохранение герметичности контайнмента,являющегося последним барьером на пути распространения продуктов деления в окружающую среду. В рамках решения данной задачи,необходимо проводить исследования расплава материалов активной зоны. Для, чего предлагается изготовление тиглей,предназначенных для получения расплавленных материалов, которые кристаллизуются в тигле и затем удаляются из него в виде слитка, а более конкретно, к нанесению антиадгезионных покрытий для тиглей,используемых при получении высокотемпературных сплавов материалов активной зоны ядерного реактора в проблеме изучения тяжелой аварии с плавлением активной зоны на легководяных ядерных реакторах. Известен способ увеличения срока эксплуатации тиглей путем нанесения покрытий из пироуглеродных и тугоплавких материалов в качестве защитных барьеров. На поверхность графитового концентратора (тигля) для его защиты наносили слой пироуглерода толщиной 112 мкм,что позволяет увеличить срок его службы и повысить оптическую прозрачность ростовой поверхности сапфировых изделий (см. , , . . // . .. - 1999. - 7 - .821.). Недостатком указанного способа является то, что такое защитное пироуглеродное покрытие в процессе эксплуатации не намного продлевает срок службы концентратора (тигля), так как со временем растрескивается, а графит рекристаллизуется и меняет свои свойства и в итоге разрушается. Одним из условий,которым должно удовлетворять покрытие, это сохранение на протяжении всего срока службы своей целостности и исключение излишнего загрязнения расплава углеродом. Известен также способ электроосаждения гафния на графит. На первой его стадии формируется тонкий слой (1 мкм) карбида гафния , который является прекрасным барьерным покрытием и предотвращает процесс взаимной диффузии гафния и углерода. При выборе гафния в качестве защитного покрытия от окисления графитовых изделий сыграли роль его уникальные свойства- Образующийся при окислении гафния диоксид гафния Н 2 является наиболее термодинамически стабильным оксидом и имеет очень низкое давление пара при высоких температурах.- Н 2 действует, как прекрасный термический барьер.- Образующийся при окислении промежуточный слойявляется диффузионным барьером для кислорода.- Промежуточный слойимеет хорошую адгезию как к графиту, так и к наружному слою оксида Н 2 (см. // . . 2009. - . 81, 8. . 1423-1439). Недостатком данного метода является незначительная толщина - сплава, что может привести к ограничению рабочего ресурса композиционного материал, образованию трещин вследствие неравности коэффициентов линейного расширения покрытия и подложки. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является синтез лавоподобных топливосодержащих масс в молибденовом и графитовом тиглях. Синтез лавоподобных топливосодержащих масс проведен при температуре 1400 1900 С в вакууме и воздухе,при различных скоростях нагрева исходной шихты и охлаждения образовавшейся лавоподобных топливосодержащих масс. Исследования параметров образования лавоподобных топливосодержащих масс в вакууме проводили при одинаковом температурном режиме разогрева исходной шихты до температуры плавления, но при различных скоростях охлаждения(0,5 4,5 и 50 С/мин) в интервале температур 1900800 С. В атмосфере воздуха исследования проводили при одинаковом температурном режиме разогрева, выдержке - при температуре плавления и охлаждения образцов. Скорость подъма и снижения температуры в этих экспериментах была примерно одинаковой и составляла 200 С/мин в интервале температур 8001700 С Красноруцкий, В.К. Яковлев, А.П. Данилов,Е.А. Слабоспицкая, В.М. Евсеев, Р.В. Матющенко,А.Г. Толстолуцкий // ВАНТ. - 2012. - 2 (78) С. 56-67). Недостатком данного прототипа является то, что изготовление изделий из молибдена трудоемкое и дорогое производство. Также существует ограничение его температурного применения,например проявление пластических свойств при разогреве до высокой температуры. Задача, решаемая изобретением, заключается в применении циркония, как элемента расплава,снижающего влияние взаимодействия между компонентами расплава и углеродом. Технический результат от использования изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик графитового тигля за счет нанесения защитной пленки из карбида циркония. И как следствие решение исследовательской задачи получение расплава компонентов активной зоны в различных соотношениях при условии присутствия циркония в исходной шихте. Сущность изобретения заключается в следующем В малогабаритный исследовательский тигель(внутренний диаметр 27 мм, высота 44 мм) помещается кольцо, изготовленное из листового металлического циркония (сплав Э 110) толщиной 0,8 мм наружным диаметром равным внутреннему диаметру тигля. Благодаря упругим свойствам циркония кольцо расклинивается в верхней части тигля и достаточно плотно прилегало к стенке тигля. Кроме того,для предотвращения его преждевременного падения верхней части кольца выполняется отбортовка кромки(Фиг.1). Подготовленную таким способом сборку теплоизолируют и помещают в индукционную печь и нагревают до температуры 1900 С с выдержкой 23 минуты. Таким способом на внутренней поверхности тигля получается покрытие толщиной от 70 до 150 мкм. Масса циркония, необходимая для получения полного покрытия тигля внутренним диаметром 27 мм и высотой 44 мм, равна 4,50,3 г,т.е., около 0.15 г/см 2 поверхности. Максимальная рабочая температура полученного покрытия в контакте с расплавом достигла 2650 С, что свидетельствует об эффективности предлагаемого способа нанесения покрытия циркония. Соотношение между массой загружаемого циркония и площадью внутренней поверхности тигля, позволяющие получать равномерный слой без значительных утолщений, проверены в ходе ряда экспериментов по способу размещения металлического циркония в тигле для получения равномерного слоя карбида. Экспериментально проверено несколько способов получения тонкого слоя циркония на внутренней поверхности графитового тигля. В результате многочисленных экспериментов выбор был остановлен на предлагаемом в изобретении. Заявляемый способ покрытия цирконием графитового тигля позволяет получать равномерный слой без значительных утолщений в донной части тигля, а также отработан способ размещения металлического циркония в тигле для получения равномерного слоя карбида циркония. В таблице показаны преимущества заявляемого способа по сравнению с прототипами. Таблица 1 Сравнительные характеристики способов защиты тигля от эрозии Способ плавления или вид защитного покрытия Молибден Графит Предлагаемый способ ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ нанесения защитного барьерного покрытия из карбида циркония на внутреннюю поверхность графитового тигля, включающий синтез лавоподобных топливосодержащих масс в графитовом тигле, отличающийся тем, что для нанесения защитного покрытия на поверхность малогабаритного исследовательского тигля(внутренним диаметром 27 мм, высотой 44 мм) используют кольцо, изготовленное из листового металлического циркония (сплав Э 110) толщиной 0,8 мм и наружным диаметром, равным внутреннему диаметру тигля, которое плотно прилегает к стенке тигля за счет упругих свойств циркония для удержания кольца отбортовывают его верхнюю кромку, теплоизолируют полученную сборку, нагревают в индукционной печи при температуре 1900 С и выдерживают в течении 23 минут,посредством чего достигают равномерность покрытия внутренней поверхности тигля, толщиной от 70 до 150 мкм, снижение удельного расхода циркония на покрытие до 0,15 г/см 2, увеличение максимальной рабочей температуры защитного барьерного покрытия в контакте с расплавом, достигающей 2650 С.