способ нанесения покрытия из выгорающего поглотителя нейтронов на основу - топливные таблетки из оксида урана

Формула изобретения

Способ нанесения покрытия из выгорающего поглотителя нейтронов из паровой фазы на основу - топливные таблетки из диоксида урана, включающий термическое разложение соединения, содержащего цирконий и бор, и последовательное формирование слоев на цилиндрической поверхности таблеток, по меньшей мере один из которых содержит диборид циркония, отличающийся тем, что в качестве упомянутого соединения используют боргидрид циркония, причем нанесение различных по составу слоев покрытия производят в едином технологическом процессе путем изменения только одного параметра - концентрации кислорода в его смеси с парами боргидрида циркония, для чего осуществляют периодическую подачу кислорода для формирования оксидосодержащих слоев, чередующихся со слоями из диборида циркония, при этом слой, прилегающий к основе, выполнен из оксида циркония, а последний слой покрытия - из оксида циркония или диборида циркония.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства топлива для ядерных реакторов и может быть использовано для реакторов с тепловыми нейтронами.

Обеспечение оптимальных условий теплопередачи от твэла к теплоносителю зависит от многих факторов, одним из которых является уменьшение теплового сопротивления между топливом и оболочкой твэла при наличии промежуточной структуры, выполняющей различные функциональные задачи.

Создание качественного теплового контакта между ядерным топливом и оболочкой твэла при наличии промежуточной структуры представляет достаточно сложную задачу, для решения которой необходимо использовать разнообразные технологические приемы. Нанесение на поверхность топлива различного рода защитных покрытий, предотвращающих прямой контакт топлива с оболочкой, позволяет значительно улучшить условия эксплуатации твэлов. Помимо основных защитных функций такой буферный барьер включает материалы, используемые в качестве выгорающего поглотителя, что положительно сказывается на нейтронно-физических параметрах активной зоны во время кампании ядерного реактора. Материалы, используемые как выгорающие поглотители, как правило, представляют собой боросодержащие составы, в частности, содержащие диборид циркония.

Известен способ нанесения слоя выгорающего покрытия из боросодержащего материала непосредственно на поверхность топливной таблетки путем напыления (патент США N 4587088, G 21 C 3/00, 1986). Недостатком данного изобретения является недостаточное сцепление покрытия с топливной таблеткой и возможность попадания влаги в покрытие, что может привести к его отслоению и, следовательно, к ухудшению условий эксплуатации твэлов.

Способом, наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному, является известный способ нанесения покрытия из выгорающего поглотителя нейтронов на топливные таблетки, описанный в патенте Великобритании N 2137012, G 21 C 3/20, 1984. Данный известный способ заключается в формировании нескольких слоев на цилиндрической поверхности таблетки, по меньшей мере один из которых содержит диборид циркония. Слой, непосредственно прилегающий к таблетке, и последний слой защитного покрытия выполнены из ниобия, что оказывает позитивное влияние за счет предотвращения поглощения диборидом циркония влаги.

Однако при эксплуатации тепловыделяющего элемента вследствие достаточно существенной разницы коэффициентов температурного расширения ниобия и делящегося материала, в частности двуокиси урана, происходит нарушение целостности защитного покрытия и снижается сцепление защитного покрытия с топливными таблетками, что приводит к увеличению теплового сопротивления между топливом и внешней поверхностью оболочки твэла. В результате этого ухудшаются условия теплосъема. Кроме того, наличие внешнего и внутреннего слоев из ниобия увеличивает паразитный захват нейтронов, поскольку сам ниобий не является выгорающим поглотителем, но имеет относительно высокое значение величины поглощения нейтронов, что снижает эффективность использования топлива.

Задачей настоящего изобретения является создание способа нанесения покрытия из выгорающего поглотителя нейтронов на основу - топливные таблетки из диоксида урана, обеспечивающего улучшенные параметры теплосъема при одновременном повышении экономичности и эффективности использования ядерного топлива.

При решении данной задачи реализуются новые технические результаты, заключающиеся в увеличении надежности сцепления поверхности топливных таблеток с защитным покрытием при одновременном снижении паразитного захвата нейтронов.

Указанные технические результаты достигаются тем, что способ нанесения покрытия из выгорающего поглотителя нейтронов из паровой фазы на основу - топливные таблетки из оксида урана включает термическое разложение соединения, содержащего цирконий и бор, и последовательное формирование слоев на цилиндрической поверхности таблеток, по меньшей мере один из которых содержит диборид циркония, при этом в качестве упомянутого соединения используют боргидрид циркония, а нанесение различных по составу слоев покрытия производят в едином технологическом процессе путем изменения только одного параметра - концентрации кислорода в его смеси с парами боргидрида циркония, для чего осуществляют периодическую подачу кислорода для формирования оксидосодержащих слоев, чередующихся со слоями из диборида циркония, причем слой, прилегающий к основе, выполнен из оксида циркония, последний слой покрытия выполнен из оксида циркония или диборида циркония, а количество и толщина слоев, содержащих выгорающий поглотитель, задаются таким образом, чтобы обеспечить постоянную реактивность активной зоны в течение кампании реактора.

На чертеже представлена топливная таблетка с покрытием из выгорающего поглотителя нейтронов.

Нанесение выгорающего поглотителя осуществляют путем термического разложения боргидрида циркония в паровой фазе непосредственно на горячую ( 400-450^oC) поверхность таблеток из оксида урана. Боргидрид циркония Zr(BH₄)₄ имеет температуру плавления 28,7^oC, высокую упругость пара и разлагается по реакции



Для формирования оксидосодержащего покрытия необходимо в реакционную зону вводить кислород. В этом случае в зависимости от концентрации кислорода непосредственно на поверхности топливной таблетки может быть получен слой из оксида циркония. Затем подачу кислорода прекращают, и в этом случае последующий слой будет образован из выгорающего поглотителя нейтронов диборида циркония. Введение кислорода расширяет возможности заявленного способа. За счет увеличения или уменьшения количества вводимого в реакционную зону кислорода могут быть получены различные по составу слои: ZrO₂ ZrOB, ZrB₂. Слои ZrOB могут иметь различную концентрацию кислорода и бора. Таким образом, в заявленном способе реализуется возможность нанесения различных по составу слоев покрытия в рамках единого технологического процесса путем изменения только одного параметра - концентрации кислорода.

Чтобы получить таблетки ядерного топлива с покрытием из выгорающего поглотителя в соответствии с предлагаемым способом (см. чертеж) цилиндрическая поверхность таблетки (1) покрывается тонким слоем оксида циркония (2) толщиной 0,1 мкм, затем слоем соединения переменного состава цирконий-кислород-бор (3) толщиной 0,3-0,5 мкм и затем слоем диборида циркония (4) толщиной 2,0-2,5 мкм. Затем цикл повторяется - от диборида циркония к оксиду циркония через соединение переменного состава цирконий-кислород-бор. Процесс продолжается до получения покрытия с необходимым содержанием поглотителя - бора. Общая высота покрытия не должна превышать 25 мкм.

Топливные таблетки из диоксида урана предварительно очищались в ультразвуковой мойке в ацетоне и спирте и сушились при 110^oC.

Нанесение покрытия проводилось на лабораторной установке, включающей вертикально расположенный реактор (рабочую камеру), в котором вертикально располагалась гирлянда топливных таблеток. Реактор откачивали до остаточного давления 0,001 мм рт ст (0,133 Па). Перед началом процесса нанесения покрытия таблетки нагревались до температуры 400-450^oC с помощью наружного нагревателя. Процесс заключался в перемещении гирлянды таблеток из одной горячей зоны реактора (верхней) в другую горячую зону реактора (нижнюю) через среднюю зону, в которой имеются два патрубка. Один из них служит для ввода в реактор боргидрида циркония и газообразного кислорода. Второй патрубок, присоединенный к вакуумной системе, служит для откачки продуктов реакции разложения боргидрида циркония. Контроль и регулирование технологических параметров процесса осуществлялись при помощи термопары, манометрического датчика и ротаметров. Процесс осуществлялся непрерывно, при перемещении гирлянды как вверх, так и вниз и ее одновременном вращении. Скорость вращения составляла 8 оборотов в минуту, а скорость перемещения - 1 см в минуту. Пары боргидрида циркония из испарителя и кислород подавались при комнатной температуре. Регулировка подачи паров реагентов осуществлялась при помощи кранов тонкой регулировки.

Конструкция установки позволяла производить весь процесс нанесения различных по составу слоев покрытия (от диоксида циркония до диборида циркония через соединение переменного состава цирконий-кислород-бор), не вскрывая установки.

В таблице представлены условия послойного нанесения покрытия из выгорающего поглотителя на цилиндрическую поверхность топливных таблеток из диоксида урана.

Данный способ нанесения покрытия позволяет получить покрытие, содержащее диборид циркония толщиной более 9 мкм в едином технологическом цикле.