[go: up one dir, main page]

RU2307406C1 - Research reactor fuel element - Google Patents

Research reactor fuel element Download PDF

Info

Publication number
RU2307406C1
RU2307406C1 RU2006111810/06A RU2006111810A RU2307406C1 RU 2307406 C1 RU2307406 C1 RU 2307406C1 RU 2006111810/06 A RU2006111810/06 A RU 2006111810/06A RU 2006111810 A RU2006111810 A RU 2006111810A RU 2307406 C1 RU2307406 C1 RU 2307406C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
coating
fuel cell
zirconium
uranium
Prior art date
Application number
RU2006111810/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Сергеевич Гаврилин (RU)
Сергей Сергеевич Гаврилин
Валентин Петрович Денискин (RU)
Валентин Петрович Денискин
Рафаэль Хайбуллович Жалилов (RU)
Рафаэль Хайбуллович Жалилов
Павел Александрович Зайцев (RU)
Павел Александрович Зайцев
Иван Иванович Федик (RU)
Иван Иванович Федик
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "Луч"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "Луч" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "Луч"
Priority to RU2006111810/06A priority Critical patent/RU2307406C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2307406C1 publication Critical patent/RU2307406C1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

FIELD: nuclear power engineering; mechanical design of research reactor fuel elements.
SUBSTANCE: proposed research reactor fuel element is made in the form of uranium-molybdenum spherical fragment measuring 50 - 200 μm coated with zirconium layer, 3 to 5 μm thick. It is designed for disposing in aluminum matrix. Fuel element is covered with external aluminum coating. Distant arrangement of fuel fragments reduces probability of their immediate contact when compressing fuel composition.
EFFECT: enhanced yield.
4 cl, 2 dwg

Description

1. Область техники, к которой относится изобретение.1. The technical field to which the invention relates.

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к конструкции топливного элемента исследовательского ядерного реактора. Такие топливные элементы предназначены для размещения в алюминиевой матрице сердечника тепловыделяющего элемента.The invention relates to the field of nuclear energy, in particular to the design of a fuel cell for a research nuclear reactor. Such fuel cells are designed to be placed in the aluminum matrix of the core of the fuel element.

2. Уровень техники.2. The prior art.

Известен топливный элемент исследовательского ядерного реактора, выполненный в виде сферической частицы из диоксида урана, предназначенной для размещения в алюминиевой матрице. (см., например, А.С.Займовский, В.В.Калашников, И.С.Головин, "Тепловыделяющие элементы атомных реакторов", Госатомиздат, Москва, 1962, с.254).Known fuel cell research nuclear reactor, made in the form of a spherical particle of uranium dioxide, intended for placement in an aluminum matrix. (see, for example, A.S. Zaimovsky, V.V. Kalashnikov, I.S. Golovin, "Fuel elements of atomic reactors", Gosatomizdat, Moscow, 1962, p. 254).

Такой топливный элемент не позволяет обеспечить в композиции твэла, при принятой технологии изготовления, концентрацию урана более 4,5 г/см3, что затрудняет решить проблему снижения обогащения по 235U до 19,5% в исследовательских реакторах.Such a fuel cell does not make it possible to provide a uranium concentration of more than 4.5 g / cm 3 in the composition of a fuel element, with the accepted manufacturing technology, which makes it difficult to solve the problem of reducing enrichment by 235 U to 19.5% in research reactors.

С предлагаемым техническим решением этот топливный элемент совпадает по следующим существенным признакам:With the proposed technical solution, this fuel cell matches the following essential features:

- сферическая топливная частица,- spherical fuel particle,

- частица предназначена для размещения в алюминиевой матрице.- the particle is intended for placement in an aluminum matrix.

Известен также топливный элемент исследовательского ядерного реактора, выполненный в виде уран-молибденовой сферической частицы размером 50-200 мкм, предназначенной для размещения в алюминиевой матрице (см., например, М.И.Солонин, А.В.Ватутин и др., "Разработка способа измельчения высокоплотного топлива для исследовательских реакторов", "Избранные труды ВНИИНМ", т.1, Москва, 2002, с.201-203).Also known is a fuel cell of a research nuclear reactor made in the form of a 50-200 μm uranium-molybdenum spherical particle intended for placement in an aluminum matrix (see, for example, M.I.Solonin, A.V. Vatutin et al., " Development of a method for grinding high-density fuel for research reactors "," Selected Works of VNIINM ", v.1, Moscow, 2002, pp. 201-203).

Недостатком такого топливного элемента является, прежде всего, образование на границе между уран-молибденовой частицей и матрицей продуктов взаимодействия, имеющих меньшую плотность, чем взаимодействующие материалы, что, наряду с повышенным газовыделением, приводит к значительным локальным формоизменениям твэла. Кроме того, вбитые в матрицу на глубину примерно 13 мкм продукты деления, диффузно распространяются в ней и, следовательно, увеличивают вероятность загрязнения теплоносителя при разгерметизации твэла.The disadvantage of such a fuel cell is, first of all, the formation at the interface between the uranium-molybdenum particle and the matrix of interaction products having a lower density than the interacting materials, which, along with increased gas evolution, leads to significant local formations of the fuel element. In addition, fission products driven into the matrix to a depth of approximately 13 μm diffuse in it and, therefore, increase the likelihood of contamination of the coolant during depressurization of a fuel element.

С предлагаемым техническим решением этот топливный элемент совпадает по следующим существенным признакам:With the proposed technical solution, this fuel cell matches the following essential features:

- сферическая топливная частица,- spherical fuel particle,

- частица выполнена из уран-молибденового сплава,- the particle is made of a uranium-molybdenum alloy,

- частица предназначена для размещения в алюминиевой матрице,- the particle is intended to be placed in an aluminum matrix,

- размер частицы 50-200 мкм.- particle size of 50-200 microns.

По совокупности существенных признаков последний топливный элемент наиболее близок к заявляемому устройству и выбран в качестве прототипа.In the aggregate of essential features, the last fuel cell is closest to the claimed device and is selected as a prototype.

3. Сущность изобретения3. The invention

Предлагаемый топливный элемент исследовательского ядерного реактора выполнен в виде уран-молибденовой сферической частицы размером 50-200 мкм, предназначенной для размещения в алюминиевой матрице, на которую нанесено покрытие из циркония толщиной 3-5 мкм.The proposed fuel cell research nuclear reactor is made in the form of a uranium-molybdenum spherical particle with a size of 50-200 microns, designed to be placed in an aluminum matrix, which is coated with zirconium with a thickness of 3-5 microns.

От прототипа это устройство отличается тем, что на частицу нанесено покрытие из циркония толщиной 3-5 мкм.This device differs from the prototype in that the particle is coated with zirconium 3-5 microns thick.

Указанное отличие обеспечивает совместимость уран-молибденового топлива с алюминиевой матрицей, что позволяет достигнуть большего выгорания без формоизменения твэла.This difference ensures the compatibility of uranium-molybdenum fuel with an aluminum matrix, which allows to achieve greater burn-out without fuel element formation.

В развитие заявляемого топливного элемента предлагается топливный элемент, в котором на топливную частицу с циркониевым покрытием нанесено покрытие из алюминия. Такое решение повышает выход годных твэлов за счет дистанционирования топливных частиц и снижения вероятности их непосредственного контакта при прессовании топливной композиции.In development of the inventive fuel cell, a fuel cell is proposed in which an aluminum coating is applied to a zirconium-coated fuel particle. This solution increases the yield of fuel elements due to the spacing of the fuel particles and reduce the likelihood of their direct contact when pressing the fuel composition.

В развитие заявляемой конструкции предлагается топливный элемент, в котором на покрытии из циркония или между покрытиями из циркония и алюминия сформировано покрытие из интерметаллида ZrAl3 толщиной 8-10 мкм. Введение этого покрытия позволяет локализовать в нем продукты деления, выделяющиеся из уран-молибденового топлива, поскольку их подвижность в указанном интерметаллиде (температура плавления 1560°С) существенно ниже их подвижности в алюминии (температура плавления 660°С).In development of the claimed design, a fuel cell is proposed in which a coating of ZrAl 3 intermetallic with a thickness of 8-10 μm is formed on a zirconium coating or between zirconium and aluminum coatings. The introduction of this coating makes it possible to localize fission products from uranium-molybdenum fuel in it, since their mobility in the indicated intermetallic compound (melting point 1560 ° С) is significantly lower than their mobility in aluminum (melting point 660 ° С).

Также в развитие заявляемой конструкции предлагается топливный элемент, в котором, наряду с введением покрытия из интерметаллида ZrAl3, между покрытиями из интерметаллида ZrAl3 и циркония сформирован буферный слой из интерметаллидов ZrnAlm системы Zr-Al, где n≥2, m≠3. Введение буферного слоя из более прочных, нежели ZrAl3, интерметаллидов, позволяет увеличить в топливной частице сжимающие напряжения и тем уменьшить распухание.Also in development of the claimed design, a fuel cell is proposed in which, along with the introduction of a ZrAl 3 intermetallic coating, between the coatings of ZrAl 3 intermetallic and zirconium, a buffer layer of Zr n Al m intermetallic compounds of the Zr-Al system is formed, where n≥2, m ≠ 3. The introduction of a buffer layer of stronger than ZrAl 3 intermetallic compounds makes it possible to increase compressive stresses in the fuel particle and thereby reduce swelling.

В дальнейшее развитие всех заявляемых конструкций предлагается топливный элемент, в котором топливные частицы имеют размер 100-150 мкм и выполнены с пористостью Р[%]=(1,1-1,3)В[%], где В[%] - заданное выгорание тяжелых атомов.In further development of all the claimed designs, a fuel cell is proposed in which the fuel particles have a size of 100-150 μm and are made with porosity P [%] = (1.1-1.3) B [%], where B [%] is the specified burnout of heavy atoms.

Выбор указанных размеров топливных частиц и их пористости обеспечивает повышение геометрической стабильности твэла за счет компенсации "твердого" расширения ядерного топлива его пористостью.The choice of the indicated sizes of fuel particles and their porosity provides an increase in the geometric stability of a fuel rod by compensating for the "solid" expansion of nuclear fuel by its porosity.

4. Перечень фигур4. List of figures

Фиг.1. - Чертеж топливного элемента исследовательского ядерного реактора:Figure 1. - Drawing of a fuel cell research nuclear reactor:

1 - уран-молибденовая сферическая частица;1 - uranium-molybdenum spherical particle;

2 - покрытие из циркония;2 - zirconium coating;

3 - покрытие из алюминия;3 - coating of aluminum;

4 - покрытие из интерметаллида ZrAl3;4 - coating of intermetallic ZrAl 3 ;

5 - буферный слой из ZrnAlm системы Zr-Al, где n≥2, m≠3.5 - buffer layer of Zr n Al m of the Zr-Al system, where n≥2, m ≠ 3.

Фиг.2. - Шлиф топливного элемента:Figure 2. - Fuel cell thin section:

1 - сферическая уран-молибденовая частица;1 - spherical uranium-molybdenum particle;

2 - покрытие из циркония.2 - zirconium coating.

5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.5. Information confirming the possibility of carrying out the invention.

Возможность осуществления изобретения проиллюстрируем конкретным примером. На фиг.1 приведен чертеж топливного элемента исследовательского ядерного реактора, состоящего из уран-молибденовой сферической частицы 1 размером в диапазоне 100-150 мкм, покрытия из циркония 2 толщиной 3-5 мкм, покрытия из алюминия 3, покрытие 4 из интерметаллида ZrAl3 толщиной 8-10 мкм и буферного слоя 5 из ZrnAlm системы Zr-Al, где n≥2, m≠3.The possibility of carrying out the invention is illustrated by a specific example. Figure 1 shows a drawing of a fuel cell of a research nuclear reactor, consisting of a uranium-molybdenum spherical particle 1 with a size in the range of 100-150 μm, a coating of zirconium 2 with a thickness of 3-5 μm, a coating of aluminum 3, a coating 4 of intermetallic ZrAl 3 with a thickness 8-10 μm and buffer layer 5 of Zr n Al m of the Zr-Al system, where n≥2, m ≠ 3.

Все покрытия наносятся и формируются при вакуумном магнетронном распылении соответствующих мишеней. В качестве примера на фиг.2 показан шлиф сферической уран-молибденовой частицы 1 с нанесенным покрытием 2 из циркония.All coatings are applied and formed by vacuum magnetron sputtering of the corresponding targets. As an example, FIG. 2 shows a thin section of a spherical uranium-molybdenum particle 1 coated with zirconium 2.

Claims (4)

1. Топливный элемент исследовательского ядерного реактора, выполненный в виде уран-молибденовой сферической частицы размером 50-200 мкм с покрытием из циркония толщиной 3-5 мкм и предназначенный для размещения в алюминиевой матрице, отличающийся тем, что на топливный элемент нанесено внешнее покрытие из алюминия.1. The fuel cell of the research nuclear reactor, made in the form of a uranium-molybdenum spherical particle with a size of 50-200 microns with a coating of zirconium with a thickness of 3-5 microns and intended for placement in an aluminum matrix, characterized in that the outer cell is coated with an aluminum coating . 2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что между циркониевым покрытием и внешним покрытием сформировано покрытие из интерметаллида ZrAl3 толщиной 8-10 мкм.2. The fuel cell according to claim 1, characterized in that between the zirconium coating and the outer coating is formed a coating of intermetallic ZrAl 3 with a thickness of 8-10 microns. 3. Топливный элемент по п.2, отличающийся тем, что между покрытиями из интерметаллида ZrAlз и циркония сформирован буферный слой из интерметаллидов ZrnAlm системы Zr-Al, где n≥2, m≠3.3. The fuel cell according to claim 2, characterized in that between the coatings of intermetallic ZrAl s and zirconium, a buffer layer is formed of intermetallic compounds Zr n Al m of the Zr-Al system, where n≥2, m ≠ 3. 4. Топливный элемент по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что топливные частицы имеют размер 100-150 мкм и выполнены с пористостью Р[%]=(1,1-1,3)В[%], где В[%] - заданное выгорание тяжелых атомов.4. A fuel cell according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the fuel particles have a size of 100-150 μm and are made with a porosity of P [%] = (1.1-1.3) B [%], where B [%] is the given burnup of heavy atoms.
RU2006111810/06A 2006-04-12 2006-04-12 Research reactor fuel element RU2307406C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006111810/06A RU2307406C1 (en) 2006-04-12 2006-04-12 Research reactor fuel element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006111810/06A RU2307406C1 (en) 2006-04-12 2006-04-12 Research reactor fuel element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2307406C1 true RU2307406C1 (en) 2007-09-27

Family

ID=38954311

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006111810/06A RU2307406C1 (en) 2006-04-12 2006-04-12 Research reactor fuel element

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2307406C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2689333C1 (en) * 2016-01-21 2019-05-27 Цинхуа Юниверсити Spherical fuel cell formation device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2112287C1 (en) * 1996-07-30 1998-05-27 Государственный научный центр РФ "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад.А.А.Бочвара" Fuel element for water-moderated power reactors
US5978432A (en) * 1998-04-17 1999-11-02 Korea Atomic Energy Research Institute Dispersion fuel with spherical uranium alloy, and the fuel fabrication process
RU2248053C1 (en) * 2003-06-20 2005-03-10 Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов" Nuclear fuel granule simulator

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2112287C1 (en) * 1996-07-30 1998-05-27 Государственный научный центр РФ "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад.А.А.Бочвара" Fuel element for water-moderated power reactors
US5978432A (en) * 1998-04-17 1999-11-02 Korea Atomic Energy Research Institute Dispersion fuel with spherical uranium alloy, and the fuel fabrication process
RU2248053C1 (en) * 2003-06-20 2005-03-10 Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов" Nuclear fuel granule simulator

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2689333C1 (en) * 2016-01-21 2019-05-27 Цинхуа Юниверсити Spherical fuel cell formation device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220139578A1 (en) Method for fabricating a composite moderator
RU2723561C2 (en) Method of producing completely ceramic microencapsulated nuclear fuel
US20230170104A1 (en) PROCESS FOR RAPID PROCESSING OF SiC AND GRAPHITIC MATRIX TRISO-BEARING PEBBLE FUELS
US20120314831A1 (en) Light Water Reactor TRISO Particle-Metal-Matrix Composite Fuel
EP3437106B1 (en) Enhancing toughness in microencapsulated nuclear fuel
WO2006076039A2 (en) Multi-layered ceramic tube for fuel containment barrier and other applications in nuclear and fossil power plants
WO2012047657A2 (en) Ceramic-ceramic composites and process therefor, nuclear fuels formed thereby, and nuclear reactor systems and processes operated therewith
Nogita et al. Formation of pellet-cladding bonding layer in high burnup BWR fuels
RU2307406C1 (en) Research reactor fuel element
Battistini et al. Residual stresses in as-manufactured TRISO Coated Particle Fuel (CPF)
US9466398B2 (en) Ceramic-ceramic composites and process therefor, nuclear fuels formed thereby, and nuclear reactor systems and processes operated therewith
US20230059151A1 (en) Ceramic matrix composites enable through metal halide assisted sintering
WO2019231046A1 (en) Uranium dioxide pellets having excellent fission gas adsorbing property and manufacturing method therefor
EP3743926B1 (en) Composite moderator for nuclear reactor systems
RU2119199C1 (en) Absorbing core of nuclear reactor control element
RU2139581C1 (en) Composition material for fuel cores of dispersion fuel elements
RU2383953C2 (en) Nuclear reactor micro-fuel cell
Liu et al. The Research on Accident Tolerant Fuel in CGN
RU2313142C1 (en) Cermet fuel element of water-moderated water cooled reactor
CA3164115C (en) Ceramic matrix composites enable through metal halide assisted sintering
RU2369925C1 (en) Coated fuel particle for nuclear reactor
Mills et al. Irradiation effects on dispersion type BeO-UO2 fuels for ebor
Chen et al. Composite fuels and transmutation targets
WO2023130356A1 (en) High-uranium-density atf nuclear fuel pellet and preparation method therefor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090413