RU2740701C2 - Fuel element with composite protective coating - Google Patents
Fuel element with composite protective coating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2740701C2 RU2740701C2 RU2019118532A RU2019118532A RU2740701C2 RU 2740701 C2 RU2740701 C2 RU 2740701C2 RU 2019118532 A RU2019118532 A RU 2019118532A RU 2019118532 A RU2019118532 A RU 2019118532A RU 2740701 C2 RU2740701 C2 RU 2740701C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel element
- fuel
- zirconium
- cladding
- layer
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 123
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 52
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 title claims abstract description 20
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 45
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 39
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 22
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 14
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims abstract 4
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 48
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 28
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 28
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 23
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 18
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 14
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 14
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 12
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 12
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 8
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 6
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 4
- 229910018138 Al-Y Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical group C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 38
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 35
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000007664 blowing Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 62
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 21
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 20
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 18
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 13
- 239000004173 sunset yellow FCF Substances 0.000 description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 8
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 7
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 6
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 6
- 239000011257 shell material Substances 0.000 description 6
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 5
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 5
- 239000012763 reinforcing filler Substances 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 4
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 4
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 3
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 3
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 3
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 3
- 239000011824 nuclear material Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 208000032912 Local swelling Diseases 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 2
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 239000000941 radioactive substance Substances 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PMTRSEDNJGMXLN-UHFFFAOYSA-N titanium zirconium Chemical compound [Ti].[Zr] PMTRSEDNJGMXLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101100063069 Caenorhabditis elegans deg-1 gene Proteins 0.000 description 1
- 229910000599 Cr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001257 Nb alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052776 Thorium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000756 V alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000946 Y alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- QRRWWGNBSQSBAM-UHFFFAOYSA-N alumane;chromium Chemical compound [AlH3].[Cr] QRRWWGNBSQSBAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 1
- CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N azanylidynechromium Chemical compound [Cr]#N CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007233 catalytic pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 230000001364 causal effect Effects 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000788 chromium alloy Substances 0.000 description 1
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 229910001068 laves phase Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000005555 metalworking Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005025 nuclear technology Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- -1 tape Substances 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C21/00—Apparatus or processes specially adapted to the manufacture of reactors or parts thereof
- G21C21/02—Manufacture of fuel elements or breeder elements contained in non-active casings
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области ядерной техники и может быть применено преимущественно для ядерных реакторов различного типа с тепловыделяющими элементами (твэлами).The invention relates to the field of nuclear technology and can be used mainly for nuclear reactors of various types with fuel elements (fuel elements).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
Тепловыделяющий элемент (твэл) - главный элемент активной зоны ядерного реактора, содержащий ядерный материал. В твэлах происходит деление тяжелых ядер, сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передается теплоносителю. Твэлы состоят из топливного сердечника, трубки-оболочки, хвостовиков-заглушек и вспомогательных деталей (компенсационные пружины, проставки-втулки, газосборники, борные экраны, технологические полости). Обычно от десятков до сотен твэлов объединяют с образованием тепловыделяющей сборки. Ядерный реактор содержит сотни таких сборок.Fuel element (fuel element) - the main element of the core of a nuclear reactor, containing nuclear material. Fission of heavy nuclei occurs in the fuel elements, accompanied by the release of thermal energy, which is then transferred to the coolant. The fuel rods consist of a fuel core, a shell tube, plug-in shanks and auxiliary parts (compensation springs, spacers-bushings, gas collectors, boron screens, technological cavities). Typically, tens to hundreds of fuel elements are combined to form a fuel assembly. A nuclear reactor contains hundreds of such assemblies.
Основной ролью оболочки твэла является обеспечение непроницаемости ядерного материала и продуктов деления в теплоноситель, и наоборот - теплоносителя в объем твэла, при наиболее эффективном отводе тепла от топлива к теплоносителю. Для обеспечения теплопроводности, оболочку твэла изготавливают с толщиной менее 1 мм. В большинстве современных энергетических реакторах, твэл представляет собой стержень диаметром 9,0-13,5 мм (с небольшим утолщением на хвостовиках) и длиной несколько метров - в реакторе ВВЭР-1000 длина твэла составляет 3840 мм при внешнем диаметре 9,0 мм или 9,1 мм.The main role of the cladding of a fuel element is to ensure the impermeability of nuclear material and fission products into the coolant, and vice versa - the coolant into the volume of the fuel element, with the most efficient heat removal from the fuel to the coolant. To ensure thermal conductivity, the fuel element cladding is made with a thickness of less than 1 mm. In most modern power reactors, a fuel element is a rod with a diameter of 9.0-13.5 mm (with a slight thickening on the shanks) and several meters long - in a VVER-1000 reactor, the length of a fuel element is 3840 mm with an outer diameter of 9.0 mm or 9 , 1 mm.
Материал оболочки твэлов должен обладать высокой жаропрочностью, исходной пластичностью, коррозионной, эрозионной, радиационной, термической и трещиностойкостью, низким сечением поглощения тепловых нейтронов, технологичностью. Оболочки твэлов в настоящее время изготавливают из сплавов циркония, коррозионностойкой стали. Коррозионностойкая сталь, которая интенсивно поглощает нейтроны, но обладает более высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью, используется в реакторах с жидкометаллическим теплоносителем и водяным теплоносителем при температуре более 400°C (LMFBR, BWR, транспортные реакторы), сплавы Zr - в энергетических реакторах с водяным теплоносителем при температурах 270-400°C (PWR, HWR, РБМК, ВВЭР) [1].The cladding material of fuel elements should have high heat resistance, initial plasticity, corrosion, erosion, radiation, thermal and crack resistance, low thermal neutron absorption cross section, and manufacturability. Fuel element cladding is currently made of zirconium alloys and corrosion-resistant steel. Corrosion-resistant steel, which intensively absorbs neutrons, but has a higher heat resistance and corrosion resistance, is used in reactors with a liquid metal coolant and a water coolant at temperatures above 400 ° C (LMFBR, BWR, transport reactors), Zr alloys - in power reactors with a water coolant at temperatures of 270-400 ° C (PWR, HWR, RBMK, VVER) [1].
Оболочки твэлов эксплуатируются в достаточно жестких условиях и, поэтому, к ним предъявляются настолько разнообразные требования к свойствам, что для их удовлетворения материал должен иметь различные структурно-фазовые состояния в объеме и в приповерхностном слое. Например, объемное структурно-фазовое состояние определяет длительную прочность и сопротивление ползучести, радиационную стойкость, трещиностойкость и сопротивление разрушению под действием постоянной нагрузки и усталости, усталости в условиях ползучести и в условиях водородного охрупчивания материала оболочки. Эксплуатационные характеристики конструкционных материалов, к числу которых относятся коррозионная и эрозионная стойкость, сопротивление разрушению, трению и износу, трещиностойкость в условиях коррозионной усталости, коррозионном растрескивании под напряжением, фреттинг-коррозии и водородном охрупчивании и ряд других, определяются структурно-фазовым состоянием приповерхностных слоев оболочки.The cladding of fuel elements is operated under rather harsh conditions and, therefore, they are subject to such varied requirements for properties that, to satisfy them, the material must have different structural-phase states in the bulk and in the subsurface layer. For example, the bulk structural-phase state determines the long-term strength and creep resistance, radiation resistance, crack resistance and fracture resistance under constant load and fatigue, fatigue under creep conditions and under conditions of hydrogen embrittlement of the shell material. The performance characteristics of structural materials, which include corrosion and erosion resistance, fracture, friction and wear resistance, crack resistance under conditions of corrosion fatigue, stress corrosion cracking, fretting corrosion and hydrogen embrittlement, and a number of others, are determined by the structural-phase state of the near-surface layers of the shell ...
После аварии на АЭС «Фукусима-1» в 2011 году, связанной с потерей теплоносителя, в мире началась программа по созданию «толерантного» топлива (Accident Tolerant Fuel, ATF), исключающего наработку водорода, выделяющегося при окислении циркония (пароциркониевая реакция Zr + 2H2O -> ZrO2 + 2H2↑) и приводящего к образованию взрывоопасной водородной смеси в верхней части реактора. Водородный взрыв является наиболее опасным явлением в процессе развития радиационной аварии и приводит к распространению радиоактивных веществ на расстоянии более 100 км.After the accident at the Fukushima-1 nuclear power plant in 2011, associated with the loss of coolant, the world began a program to create an Accident Tolerant Fuel (ATF), which excludes the production of hydrogen released during the oxidation of zirconium (zirconium steam reaction Zr + 2H 2 O -> ZrO 2 + 2H 2 ↑) and leading to the formation of an explosive hydrogen mixture in the upper part of the reactor. A hydrogen explosion is the most dangerous phenomenon in the development of a radiation accident and leads to the spread of radioactive substances at a distance of more than 100 km.
В аварийных ситуациях с потерей теплоносителя (например, «Гильотинный разрыв главного трубопровода Ду850») оболочка твэла разогревается. Температура топлива тоже повышается, при этом выделяются дополнительные осколочные газы. В результате потери давления со стороны теплоносителя внутреннее давление в твэле начинает превышать внешнее и увеличивается до тех пор, пока в наиболее горячем месте, а значит и менее прочном, оболочка не начинает деформироваться - сначала упруго, а потом и пластично (при температуре ~800°С). Это приводит к локальному вздутию твэла, нарушению охлаждаемой геометрии, а в дальнейшем и к разрыву оболочки [2]. В итоге, радиоактивные газы, а также частицы топлива и продукты деления, вымываемые при соприкосновении теплоносителя с топливной композицией, выбрасываются в первый контур, а затем за пределы гермообъема реакторной установки (РУ) и в окружающую среду.In emergency situations with loss of coolant (for example, "Guillotine rupture of the main pipeline Du850"), the fuel element cladding is heated. The temperature of the fuel also rises, and additional fission gases are released. As a result of the pressure loss from the coolant side, the internal pressure in the fuel element begins to exceed the external pressure and increases until, in the hottest place, and therefore the least durable, the cladding begins to deform - first elastic, and then plastic (at a temperature of ~ 800 ° FROM). This leads to local swelling of the fuel element, violation of the cooled geometry, and subsequently to rupture of the cladding [2]. As a result, radioactive gases, as well as fuel particles and fission products washed out when the coolant comes into contact with the fuel composition, are discharged into the primary circuit, and then outside the containment volume of the reactor facility (RU) and into the environment.
Известно, что в рамках программы создания толерантного топлива в настоящее время рассматривается три варианта оболочек твэлов: циркониевые с защитным покрытием, стальные и композитные SiC/SiCf. Тем не менее, данные концепции обладают рядом недостатков. Стальные оболочки твэлов обладают существенным паразитным захватом тепловых нейтронов. SiC/SiCf оболочки не стойки к тепловому удару и имеют высокую стоимость изготовления. Циркониевые оболочки твэлов с хромовыми покрытиями подвержены локальному раздутию и разгерметизации на начальных стадиях аварии с потерей теплоносителя.It is known that, within the framework of the program for the creation of tolerant fuel, three options for fuel element cladding are currently being considered: zirconium with a protective coating, steel and composite SiC / SiC f . However, these concepts have several disadvantages. Steel cladding of fuel elements exhibit significant parasitic capture of thermal neutrons. SiC / SiC f shells are not resistant to thermal shock and are expensive to manufacture. Chromium-coated zirconium claddings of fuel elements are subject to local swelling and depressurization at the initial stages of a loss of coolant accident.
Наиболее простой метод противодействия возникновению пароциркониевой реакции - это нанесение защитных покрытий на циркониевые сплавы. В частности, как в России (Borisov, V.M., Trofimov, V.N., Sapozhkov, A.Y. et al. // Phys. Atom. Nuclei. 2016. V. 79. P. 1656), так и за рубежом (Jeremy Bischoff, et al // Nuclear Engineering and Technology. 2018. V. 50. № 2. pp. 223-228) было показано, что нанесение на твэлы 7-10 мкм хрома значительно снижает скорость окисления Zr (то есть образование ZrO2 и наработку водорода) и, таким образом, хромирование оболочки твэла понижает вероятность развития пароциркониевой реакции.The simplest method of counteracting the occurrence of a zirconium vapor reaction is the application of protective coatings on zirconium alloys. In particular, both in Russia (Borisov, VM, Trofimov, VN, Sapozhkov, AY et al. // Phys. Atom. Nuclei. 2016. V. 79. P. 1656) and abroad (Jeremy Bischoff, et al. // Nuclear Engineering and Technology. 2018. V. 50. No. 2. pp. 223-228) it was shown that the deposition of 7-10 μm chromium on fuel rods significantly reduces the rate of Zr oxidation (that is, the formation of ZrO 2 and the production of hydrogen) and Thus, chromium plating of the fuel element cladding reduces the likelihood of the development of a zirconium vapor reaction.
В патенте RU 2686399, «Устройство и способ для нанесения покрытий на протяженные изделия», Борисов В.М., Трофимов, В.Н., Христофоров О.Б., Якушкин А.А. приведено описание коаксиальной магнетронной системы для нанесения покрытия, в частности, хрома на твэлы. Замена материала цилиндрического катода протяженного магнетрона позволяет менять материал напыления на твэл.In patent RU 2686399, "Device and method for applying coatings on extended products", Borisov VM, Trofimov, VN, Khristoforov OB, Yakushkin AA. a description of a coaxial magnetron system for coating, in particular, chromium, on fuel elements is given. Replacing the material of the cylindrical cathode of an extended magnetron makes it possible to change the material of the sputtering on the fuel element.
Недостатком данного изобретения является незначительное повышение жаропрочности твэла.The disadvantage of this invention is a slight increase in the heat resistance of the fuel element.
В патенте США 10020078 описан твэл реакторной установки на тепловых нейтронах, состоящих из нескольких слоев композитного материала SiC/SiCf, обеспечивающих повышение как коррозионной стойкости твэла в штатных и аварийных условиях работы, так и его жаропрочности до температур вплоть до 2500°С.US Pat. No. 1,002,078 describes a fuel element of a thermal neutron reactor, consisting of several layers of a SiC / SiC f composite material, providing an increase in both the corrosion resistance of a fuel element under normal and emergency operating conditions and its heat resistance up to temperatures up to 2500 ° C.
Недостатками данного изобретения является высокая стоимость предлагаемых твэлов, низкая стойкость композита на основе SiC к тепловому удару, низкая пластичность, плохая свариваемость, а также сложность в достижении нулевой сквозной пористости изделия, что необходимо для обеспечения герметичности ядерного топлива.The disadvantages of this invention are the high cost of the proposed fuel elements, low resistance of the SiC-based composite to thermal shock, low plasticity, poor weldability, as well as the difficulty in achieving zero through porosity of the product, which is necessary to ensure the tightness of nuclear fuel.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению является метод создания защитного покрытия оболочки твэла против окисления и наводораживания (патент US 2017/0287578), Brachet и др., в котором на оболочку твэла из циркониевого сплава с помощью магнетрона наносится барьерный слой тантала, или молибдена, или ванадия, а затем слой хрома. Тип магнетрона в патенте не указан. Недостатком данного покрытия является то, что оно не предотвращает вздутие и разгерметизацию оболочек твэлов на начальных стадиях аварии с потерей теплоносителя (хромовое покрытие лишь оттягивает момент такого разрыва на несущественное время и, к тому же, имеет тенденцию к отслаиванию при радиационном облучении). Таким образом, покрытие, направленное на повышение коррозионной стойкости, не обеспечивает требуемую жаропрочность.The closest in technical essence to the claimed invention is a method of creating a protective coating of the fuel element cladding against oxidation and hydrogenation (patent US 2017/0287578), Brachet, etc., in which a barrier layer of tantalum, or molybdenum, is applied to the fuel element cladding made of zirconium alloy using a magnetron, or vanadium and then a layer of chromium. The type of magnetron is not specified in the patent. The disadvantage of this coating is that it does not prevent the swelling and depressurization of the fuel element cladding at the initial stages of the accident with the loss of coolant (the chrome coating only delays the moment of such a rupture for an insignificant time and, moreover, has a tendency to peel off during radiation exposure). Thus, a coating aimed at increasing corrosion resistance does not provide the required heat resistance.
Высоких показателей жаропрочности и коррозионной стойкости в традиционных материалах невозможно достичь одновременно в связи с тем, что искажение кристаллической структуры, необходимое для повышения жаропрочности, неминуемо приводит к падению коррозионной стойкости. Вследствие этого факта, в последнее время все больший интерес получают композитные материалы с покрытием. В таких материалах основную нагрузку несет армирующий наполнитель, пластичность обеспечивается матрицей, а такие свойства как коррозионная стойкость, износостойкость и трещиностойкость определяются приповерхностным слоем материала, зачастую имеющим отличное от объемного структурно-фазового состояния. Такие материалы находят широкое применения для защиты деталей трения и металлообрабатывающего инструмента от изнашивания (например, патент BY 10924 «Композиционное многослойное покрытие»), а также в области ядерной и термоядерной энергетики, космической и оборонной техники.High heat resistance and corrosion resistance in traditional materials cannot be achieved simultaneously due to the fact that the distortion of the crystal structure, which is necessary to increase the heat resistance, inevitably leads to a drop in corrosion resistance. As a result of this fact, in recent years, there has been increasing interest in coated composite materials. In such materials, the main load is borne by the reinforcing filler, the plasticity is provided by the matrix, and properties such as corrosion resistance, wear resistance, and crack resistance are determined by the near-surface layer of the material, which often has a different from the bulk structural-phase state. Such materials are widely used to protect friction parts and metalworking tools from wear (for example, patent BY 10924 "Composite multilayer coating"), as well as in the field of nuclear and thermonuclear energy, space and defense technology.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Техническая задача, решаемая в данном изобретении - это предотвращение как вздутия и разгерметизации твэлов на раннем этапе тяжелой аварии с потерей теплоносителя, так и возникновения пароциркониевой реакции.The technical problem solved in this invention is to prevent both swelling and depressurization of fuel elements at the early stage of a severe accident with loss of coolant, and the occurrence of a zirconium vapor reaction.
Техническая задача решается за счет того, что на оболочке твэла из циркониевого сплава создается многослойное защитное покрытие, в котором один или несколько промежуточных барьерных слоев выполняются из материалов, выбранных из группы, включающей тантал, молибден, вольфрам, ниобий, ванадий, гафний (тугоплавкие ОЦК металлы, образующие непрерывный ряд твердых растворов с соединении с Ti), а внешний слой выполняется из сплава на основе Cr-Al, отличающийся тем, что в покрытии содержится композитный слой, состоящий из жгутов нанотрубок, помещенных в пластичную матрицу из сплава титана.The technical problem is solved due to the fact that a multilayer protective coating is created on the fuel element cladding made of zirconium alloy, in which one or several intermediate barrier layers are made of materials selected from the group including tantalum, molybdenum, tungsten, niobium, vanadium, hafnium (refractory bcc metals forming a continuous series of solid solutions with a compound with Ti), and the outer layer is made of an alloy based on Cr-Al, characterized in that the coating contains a composite layer consisting of bundles of nanotubes placed in a plastic matrix made of titanium alloy.
Новый технический результат изобретения состоит в том, что углесодержащий материал, в частности, нанотрубки, обладающие высокой удельной прочностью, слабо зависящей от температуры вплоть до 2500°С, накрученные на твэл, создают «бандаж», который остановит распухание и разрыв оболочек на начальной стадии аварии с потерей теплоносителя. Внешний коррозионностойкий слой на основе Cr-Al сплава замедлит окисление циркония и образование водорода. Теоретические оценки показали, что прочность на радиальный разрыв при температуре 1000°С и коррозионная стойкость при 1400°С оболочки твэла при использовании предлагаемого композитного покрытия повышаются более чем на порядок. Отслаивание покрытия при радиационном облучении не ожидается вследствие жесткости композитного слоя. Возможен выбор такой итоговой толщины предлагаемого композитного покрытия (например, не более 30 мкм), так что предлагаемое изобретение не требует существенных изменений технологии изготовления ТВС, что является несомненным достоинством настоящего изобретения.The new technical result of the invention consists in the fact that carbon-containing material, in particular, nanotubes with high specific strength, weakly dependent on temperature up to 2500 ° C, wound on a fuel rod, create a "bandage" that will stop the swelling and rupture of the cladding at the initial stage loss of coolant accidents. The outer corrosion-resistant layer based on Cr-Al alloy will slow down the oxidation of zirconium and the formation of hydrogen. Theoretical estimates have shown that the radial rupture strength at 1000 ° C and corrosion resistance at 1400 ° C of the fuel element cladding increase by more than an order of magnitude when using the proposed composite coating. Peeling off of the coating by radiation exposure is not expected due to the stiffness of the composite layer. It is possible to choose such a final thickness of the proposed composite coating (for example, not more than 30 μm), so that the proposed invention does not require significant changes in the fuel assembly manufacturing technology, which is an undoubted advantage of the present invention.
Производительность предлагаемой установки оценивается в 30 минут для нанесения композиционного покрытия суммарной толщиной 20 мкм. Оцениваемое время включает загрузку твэла, предварительную очистку, нанесение двух барьерных слоев, нанесение одного композитного слоя толщиной 10 мкм, нанесения внешнего коррозионностойкого Cr-Al-Y слоя, локальное азотирование поверхности внешнего слоя на глубину 3 мкм в 13 локальных зонах длиной 30 мм, нанесение твердой смазки в виде различных аллотропных форм углерода толщиной 100 нм, контроль качества и выгрузку твэла.The productivity of the proposed installation is estimated at 30 minutes for applying a composite coating with a total thickness of 20 microns. The estimated time includes fuel element loading, preliminary cleaning, application of two barrier layers, application of one
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существуют следующие причинно-следственные связи.The following causal relationships exist between the set of essential features of the claimed object and the achieved technical result.
Известны способы нанесения многослойных покрытий на оболочки твэлов ядерных реакторов. Однако, проблема разгерметизации твэлов на ранней стадии развития аварии с потерей теплоносителя в связи с «баллунингом» оболочек известными способами не решена. Предлагаемая концепция твэла позволяет повысить предел текучести оболочки в 2-1000 раз (в зависимости от температуры и общей толщины композитного материала) при температурах выше 700°С в сравнении с оболочками традиционных твэлов даже с хромсодержащим покрытием, как например в патенте US 2017/0287578. При суммарной толщине слоев композитного материала в 75 мкм предельное давление на разрыв оболочки твэла с многослойным защитным покрытием составляет выше 300 атм при температурах до 1500°С (при принятом пределе текучести углеродосодержащего армирующего наполнителя 2 ГПа). Также, предлагаемый твэл при суммарной толщине композитного слоя в 50 мкм имеет предельное давление на разрыв 270 атм при 800°С, что соответствует аналогичной величине для твэла из сплава 42ХНМ-1 с толщиной оболочки 450 мкм (зависимость стойкости к раздутию оболочки твэла толщиной 450 мкм и диаметром 9,5 мм из сплава 42ХНМ на основе данных о пределе текучести 42ХНМ представлен на Фиг. 3 для сравнения).Known methods of applying multilayer coatings on the cladding of fuel elements of nuclear reactors. However, the problem of depressurization of fuel rods at an early stage of the development of an accident with a loss of coolant due to “balluning” of the cladding has not been solved by the known methods. The proposed fuel element concept makes it possible to increase the yield strength of the cladding by 2-1000 times (depending on the temperature and the total thickness of the composite material) at temperatures above 700 ° C in comparison with the cladding of traditional fuel elements even with a chromium-containing coating, as for example in US patent 2017/0287578. With a total thickness of the layers of the composite material of 75 μm, the ultimate pressure for rupture of the cladding of a fuel element with a multilayer protective coating is above 300 atm at temperatures up to 1500 ° C (with the assumed yield point of the carbon-containing reinforcing filler 2 GPa). Also, the proposed fuel rod with a total thickness of the composite layer of 50 μm has an ultimate rupture pressure of 270 atm at 800 ° C, which corresponds to a similar value for a fuel rod made of 42KhNM-1 alloy with a cladding thickness of 450 μm (dependence of the resistance to inflation of a fuel rod cladding with a thickness of 450 μm and a diameter of 9.5 mm from alloy 42XHM based on data on the yield point 42XHM is presented in Fig. 3 for comparison).
Достигаемая высокая жаропрочность оболочек твэлов обусловлена высокой удельной прочностью углеродных нанотрубок и волокон, а также ее слабой зависимостью от температуры вплоть до 2500°С. При этому, пластичная подложка защитного покрытия в виде полой пластичной циркониевой трубки позволяет сохранить практически все преимущества традиционной технологии изготовления твэлов. Еще раз отметим, что предлагаемая концепция не требует существенных изменений в устройстве активной зоны реакторной установки.The achieved high heat resistance of fuel element cladding is due to the high specific strength of carbon nanotubes and fibers, as well as its weak dependence on temperature up to 2500 ° C. At the same time, the plastic substrate of the protective coating in the form of a hollow plastic zirconium tube makes it possible to preserve almost all the advantages of the traditional technology for manufacturing fuel elements. We note once again that the proposed concept does not require significant changes in the design of the reactor core.
Отметим, что твэлы на основе SiC композита подвержены растрескиванию (а, как следствии, разгерметизации) при «гашении» активной зоны (т.е. при срабатывании системы аварийного охлаждения зоны (САОЗ).Note that fuel elements based on the SiC composite are susceptible to cracking (and, as a consequence, depressurization) when the core is “extinguished” (ie, when the emergency zone cooling system (ECCS) is triggered).
Необходимо также отметить, что перенос напряжений между волокнами и матрицей и межфазная прочность играют важную роль в упрочнении - приложенное напряжение передается волокну через межфазный слой, так что адгезионно связанная поверхность раздела делает композит очень прочным, но за счет пластичности матрицы. Слабый межфазный слой может привести к снижению прочности и неэффективному использованию свойств волокна из-за его отрыва от матрицы. В этом смысле смачивание волокна жидким металлом имеет решающее значение - несмачивание приведет к плохому межфазному сцеплению.It should also be noted that the transfer of stresses between the fibers and the matrix and the interfacial strength play an important role in strengthening - the applied stress is transferred to the fiber through the interfacial layer, so that the adhesively bonded interface makes the composite very strong, but at the expense of the plasticity of the matrix. A weak interfacial layer can lead to a decrease in strength and ineffective use of the properties of the fiber due to its separation from the matrix. In this sense, the wetting of the fiber with the liquid metal is critical — non-wetting will lead to poor interfacial adhesion.
В качестве матрицы для композитного слоя с нанотрубками целесообразно выбрать сплав на основе Ti или Nb, ввиду экспериментально установленной смачиваемости титаном b ниобием алмаза и графита. Перспективным является легирование титановой матрицы цирконием на уровне 20-30 ат.% для повышения радиационной стойкости. Ниобий перспективен для использования в качестве матрицы в чистом виде и с легированием Ta, W, Mo или Zr.It is advisable to choose an alloy based on Ti or Nb as a matrix for a composite layer with nanotubes, in view of the experimentally established wettability of diamond and graphite by titanium b with niobium. Doping of the titanium matrix with zirconium at a level of 20-30 at.% Is promising in order to increase the radiation resistance. Niobium is promising for use as a matrix in its pure form and doped with Ta, W, Mo, or Zr.
В качестве внешнего защитного слоя следует выбрать Cr-(6-20 ат.%)Al сплав ввиду схожести его коэффициента термического расширения (КТР) со сплавом Э110 на уровне ~6⋅10 -6 град -1 и высокой коррозионной стойкости в паре вплоть до температур ~1500°С, а также отсутствия растворимости в воде в штатных условиях эксплуатации ВВЭР.Cr- (6-20 at.%) Al alloy should be chosen as the outer protective layer due to the similarity of its coefficient of thermal expansion (CTE) with the E110 alloy at a level of ~ 6⋅10 -6 deg -1 and high corrosion resistance in steam up to temperatures of ~ 1500 ° C, as well as the absence of solubility in water under normal operating conditions of VVER.
Предлагается, что металлическая матрица композитного материала выполнена напылением или осаждением одновременно с нанесением углеродсодержащего материала на удлиненную полую трубку из циркониевого сплава. Намотка жгута или пленки происходит при непрерывном напылении металлической матрицы магнетронным методом, нанесение которого на жгуты или пленки нанотрубок или углеволокно непосредственно перед и во время их намотки на исходную циркониевую трубку с барьерным слоем или без него имеет решающее значение для обеспечения необходимого межфазового сцепления и понижения пористости композитного слоя.It is proposed that the metal matrix of the composite material is made by sputtering or deposition simultaneously with the deposition of a carbon-containing material on an elongated hollow tube of zirconium alloy. The winding of a bundle or film occurs with continuous deposition of a metal matrix by the magnetron method, the application of which to bundles or films of nanotubes or carbon fiber immediately before and during their winding on an initial zirconium tube with or without a barrier layer is of decisive importance to ensure the necessary interfacial adhesion and decrease in porosity composite layer.
Шаг намотки УВ или УНТ-материала выбирается исходя из режима осаждения металлической матрицы, режима и способа перемещения твэла или его оболочки и из необходимости достижения заданных физико-механических свойств твэла. Предполагается, что минимальный шаг намотки соответствует двум толщинам жгута, волокна, ленты, пленки, т.е. от 50% до 0%.The step of winding the HC or CNT material is selected based on the mode of deposition of the metal matrix, the mode and method of moving the fuel element or its cladding, and from the need to achieve the specified physical and mechanical properties of the fuel element. It is assumed that the minimum winding pitch corresponds to two thicknesses of a bundle, fiber, tape, film, i.e. from 50% to 0%.
В заключение отметим, что предлагаемое изобретение дает основание для развития радикально нового подхода к созданию толерантного топлива ВВЭР с оболочкой твэла из циркониевого сплава с композитным покрытием на основе углеродных нанотрубокIn conclusion, we note that the proposed invention provides a basis for the development of a radically new approach to creating a tolerant VVER fuel with a zirconium alloy cladding of a fuel element with a composite coating based on carbon nanotubes.
К преимуществам предлагаемого подхода, в сравнении с известными, можно отнести:The advantages of the proposed approach, in comparison with the known ones, include:
- практически полное сохранение герметичности твэлов после аварии типа LOCA, повышения температуры вплоть до 1500°С и аварийного охлаждения активной зоны и, соответственно, существенное уменьшение выхода радиоактивных веществ в атмосферу в случае аварии;- almost complete preservation of the tightness of fuel elements after an accident of the LOCA type, an increase in temperature up to 1500 ° C and emergency cooling of the core and, accordingly, a significant decrease in the release of radioactive substances into the atmosphere in the event of an accident;
- сохранении возможности извлечения ТВС из активной зоны;- maintaining the possibility of extracting fuel assemblies from the core;
- дешевизна и отсутствие изменений в физике реактора; не требует существенных изменений технологии изготовления ТВС.- cheapness and lack of changes in the physics of the reactor; does not require significant changes in the fuel assembly manufacturing technology.
В случае аварии с потерей теплоносителя в активной зоне энергоблока АЭС традиционный твэл с оболочкой из циркониевого сплава Э110 под действием внутреннего давления подвержен разгерметизации при температурах 743-820°С в зависимости от выгорания топлива в течение первых 10 секунд аварии. Предлагаемый твэл с многослойным защитным покрытием способен сдержать «баллунинг» вплоть до температур 1500°С уже при суммарной толщине композитных слоев в 10 мкм.In the event of an accident with a loss of coolant in the core of an NPP power unit, a traditional fuel element with a cladding of zirconium alloy E110 under the action of internal pressure is subject to depressurization at temperatures of 743-820 ° C, depending on fuel burnout during the first 10 seconds of the accident. The proposed fuel element with a multilayer protective coating is able to withstand "balluning" up to temperatures of 1500 ° C even with a total thickness of the composite layers of 10 microns.
Таким образом, в случае аварии с потерей теплоносителя предлагаемая концепция твэлов позволяет достичь нулевого уровня разгерметизации во всех проектных режимах аварий, что способствует более простому разбору активной зоны после аварии и отсутствию блокировки проходного сечения теплоносителя через ТВС. Вследствие отсутствия коррозии циркония (локальная глубина окисления оболочек твэлов существенно менее 18%) обеспечивается также остаточная пластичность оболочек твэлов на уровне более 2%.Thus, in the event of an accident with a loss of coolant, the proposed concept of fuel elements makes it possible to achieve a zero level of depressurization in all design modes of accidents, which contributes to a simpler disassembly of the core after an accident and the absence of blockage of the flow section of the coolant through the FA. Due to the absence of zirconium corrosion (the local oxidation depth of the fuel element cladding is significantly less than 18%), the residual plasticity of the fuel element cladding is also provided at a level of more than 2%.
Также, твэлы с предлагаемым композитным покрытием имеют значительный потенциал для эксплуатации при повышенных температурах теплоносителя и, тем самым, повышения КПД реакторной установки. С другой стороны, предлагаемый твэл является более стойким к фреттинг коррозии и обеспечивает пониженную вероятность разгерметизации в штатных условиях работы реактора.Also, fuel rods with the proposed composite coating have significant potential for operation at elevated coolant temperatures and, thereby, increasing the efficiency of the reactor plant. On the other hand, the proposed fuel rod is more resistant to fretting corrosion and provides a reduced likelihood of depressurization under normal reactor operating conditions.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 показана структура твэла с композитным покрытием оболочки твэла.FIG. 1 shows the structure of a fuel element with a composite cladding of a fuel element.
На фиг. 2 показан возможный вариант реализации защитного композитного покрытия на основе нанотрубок.FIG. 2 shows a possible embodiment of a protective composite coating based on nanotubes.
На фиг. 3 показан график зависимости предельного давления на разрыв оболочки из сплава Э110 с хромовым и композитным покрытием, а также, для сравнения, хромоникелевого сплава 42ХНМ-1.FIG. 3 shows a graph of the dependence of the ultimate rupture pressure of the shell made of alloy E110 with chrome and composite coatings, as well as, for comparison, chromium-nickel alloy 42ХНМ-1.
На фиг. 4 приведена схема горизонтального варианта модульной системы для нанесения покрытия.FIG. 4 is a schematic diagram of a horizontal version of a modular coating system.
На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.In the drawings, matching device elements have the same reference numbers.
Данные чертежи не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая его выполнения.These drawings do not cover and, moreover, do not limit the entire scope of options for implementing this technical solution, but are only illustrative materials of a particular case of its implementation.
Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the invention
Данное описание служит для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.This description serves to illustrate the implementation of the invention and in no way the scope of the present invention.
На фиг.1 показан тепловыделяющий элемент (твэл) с ядерным топливом, заключенным в оболочку, которая содержит удлиненную полую трубку из циркониевого сплава с многослойным защитным покрытием ее внешней поверхности, отличающийся тем, что защитное покрытие содержит трубчатый слой из композитного материала, представляющего собой металлическую матрицу с наполнителем из углеродосодержащего материала.Figure 1 shows a fuel element (fuel element) with nuclear fuel, enclosed in a cladding, which contains an elongated hollow tube of zirconium alloy with a multilayer protective coating on its outer surface, characterized in that the protective coating contains a tubular layer of composite material, which is a metal matrix filled with carbonaceous material.
Настоящее изобретение предлагает стержни 1 для ядерного топлива, сформированные из оболочки из циркониевого сплава с многослойным защитным покрытием 2, предназначенные для герметизации ядерного материала в виде таблеток 3 известным способом. Многослойное защитное покрытие содержит трубчатый слой из композитного материала, представляющего собой металлическую матрицу с наполнителем из углеродосодержащего материала. Как показано на фиг. 1, оболочка твэла 2 содержит удлиненную полую трубку из циркониевого сплава 4, покрытую одним или несколькими слоями 5, армированными углеродосодержащим материалом 6, намотанным вокруг трубки 4. Предпочтительно, слои 6 волокон размещаются вокруг трубы 4 в различных направлениях, повышая прочность тепловыделяющего элемента. Предпочтительно, многослойное защитное покрытие содержит внешний коррозионностойкий слой 7 из хромсодержащего сплава. Количество слоев 5 углеродосодержащего материала, добавляемых поверх трубки 4 для формирования оболочки 2, определяется разработчиком топлива для получения оболочки 2 с определенной расчетной величиной пластичности или предела прочности.The present invention provides
На Фиг. 2 приведен возможный вариант реализации защитного композитного покрытия на основе нанотрубок. Ниже приводится краткое пояснение, касающееся назначения и материала этих слоев. Композитное покрытие наносится на стандартную оболочку твэла из циркониевого сплава (4) и состоит из нескольких слоев.FIG. 2 shows a possible embodiment of a protective composite coating based on nanotubes. Below is a brief explanation regarding the purpose and material of these layers. The composite coating is applied to a standard zirconium alloy cladding of a fuel element (4) and consists of several layers.
Первый барьерный слой (8) предназначен для препятствия проникновения углерода и материала матрицы композитного слоя (Ti) в циркониевый сплав Э110. Наиболее перспективными элементами данного слоя являются Nb и Ta ввиду отсутствия образования легкоплавких соединений и хрупких интерметаллидных фаз как с Zr, так и с Ti.The first barrier layer (8) is designed to prevent the penetration of carbon and matrix material of the composite layer (Ti) into the E110 zirconium alloy. The most promising elements of this layer are Nb and Ta due to the absence of the formation of fusible compounds and brittle intermetallic phases with both Zr and Ti.
Основой второго слоя (5) являются нанотрубки в виде жгутов или пленки, намотанные на первый барьерный слой и помещенные в пластичную матрицу. Необходимо отметить, что перенос напряжений между волокнами и матрицей и межфазная прочность играют важную роль в упрочнении - приложенное напряжение передается волокну через межфазный слой, так что адгезионно связанная поверхность раздела делает композит очень прочным, но за счет пластичности матрицы [3]. Слабый межфазный слой может привести к снижению прочности и неэффективному использованию свойств волокна из-за его отрыва от матрицы. В этом смысле смачивание волокна жидким металлом имеет решающее значение - несмачивание приведет к плохому межфазному сцеплению.The second layer (5) is based on nanotubes in the form of bundles or films, wound on the first barrier layer and placed in a plastic matrix. It should be noted that the transfer of stresses between the fibers and the matrix and the interfacial strength play an important role in hardening - the applied stress is transferred to the fiber through the interfacial layer, so that the adhesively bonded interface makes the composite very strong, but due to the plasticity of the matrix [3]. A weak interfacial layer can lead to a decrease in strength and ineffective use of the properties of the fiber due to its separation from the matrix. In this sense, the wetting of the fiber with the liquid metal is critical — non-wetting will lead to poor interfacial adhesion.
Смачивание графита и алмаза жидкими металлами происходит, как правило, в тех случаях, когда металл достаточно интенсивно химически взаимодействует с углеродом. Непереходные металлы Cu, Sn, Ag, Au, In, Pb, Sb, Bi и Ga, химически инертные по отношению к углероду, образуют на поверхности графита и алмаза тупые углы.The wetting of graphite and diamond with liquid metals occurs, as a rule, when the metal chemically interacts with carbon quite intensively. Non-transition metals Cu, Sn, Ag, Au, In, Pb, Sb, Bi and Ga, chemically inert with respect to carbon, form obtuse angles on the surface of graphite and diamond.
Карбидообразующие непереходные элементы (Al, Si, B) могут давать с углеродом ковалентные соединения, и поэтому расплавы этих веществ могут смачивать графит и алмаз при определенных условиях. Важную роль грает температура - при температурах ниже 1000°С смачивание графита жидким Al отсутствует, а при температурах выше 1200°С происходит полное смачивание.Carbide-forming non-transition elements (Al, Si, B) can form covalent compounds with carbon, and therefore melts of these substances can wet graphite and diamond under certain conditions. Temperature plays an important role - at temperatures below 1000 ° C, there is no wetting of graphite with liquid Al, and at temperatures above 1200 ° C, complete wetting occurs.
Все карбидообразующие переходные металлы (Ti, Cr, Zr, Mn, V, Nb, Mo, W) имеют с углеродом прочные связи, поэтому они обычно хорошо смачивают алмаз и графит. Хорошо смачивают графит также чистые металлы подгруппы железа (Fe, Co, Ni).All carbide-forming transition metals (Ti, Cr, Zr, Mn, V, Nb, Mo, W) have strong bonds with carbon, so they usually wet diamond and graphite well. Pure metals of the iron subgroup (Fe, Co, Ni) also wet graphite well.
Тем не менее, в качестве пригодной матрицы для углеродных нанотрубок следует выбрать те элементы, которые до образования карбидов могут растворить максимальное количество углерода, т.е. сохранить пластические свойства - известно, что карбиды обладают низкой пластичностью и когерентно не связаны с матрицей.Nevertheless, as a suitable matrix for carbon nanotubes, one should choose those elements that can dissolve the maximum amount of carbon before the formation of carbides, i.e. retain plastic properties - it is known that carbides have low plasticity and are not coherently bonded to the matrix.
Наиболее приемлемыми с точки зрения сохранения пластичности в результате диффузии углерода (выделяющегося из углеродных нанотрубок в процессе нейтронного облучения) являются титан и цирконий. Следует отметить, что ниобий также может рассматриваться как матричный элемент композитного слоя. В этом случае интересным является нанесение композитного слоя без первого барьерного.Titanium and zirconium are the most acceptable from the point of view of plasticity retention as a result of carbon diffusion (released from carbon nanotubes during neutron irradiation). It should be noted that niobium can also be considered as the matrix element of the composite layer. In this case, it is interesting to apply the composite layer without the first barrier.
В процессе нейтронного облучения, во-первых, происходит движение вакансионных скоплений и дислокационных петель к внешней поверхности оболочки твэла. Ввиду наличия в структуре композитного слоя углеродных нанотрубок и карбидов, граница «нанотрубка»-«матрица Ti(Zr)» неотъемлемо будет являться стоком дефектов. В результате данного эффекта, по мере эксплуатации ядерного топлива будет происходить постепенное отслоение нанотрубок от матрицы. С данной точки зрения, необходимым является сохранение целостности нанотрубок по длине, так как при полном отслоении нанотрубок от матрицы, она уже не сможет передавать напряжения между отдельными нитями и обеспечивать прочность композитного слоя. Таким образом, в случае массовых разрывов нанотрубок, прочность композитного слоя будет соответствовать прочности матрицы (нанотрубки будут свободно скользить по каналам в матрице). Следует отметить, что полное отслоение нанотрубок от матрицы произойдет при гораздо более высокой дозе облучения, чем 10 сна (3 года облучения в ВВЭР).In the process of neutron irradiation, firstly, vacancy clusters and dislocation loops move to the outer surface of the fuel element cladding. Due to the presence of carbon nanotubes and carbides in the structure of the composite layer, the “nanotube” - “Ti (Zr) matrix” boundary will inherently be a sink of defects. As a result of this effect, as the nuclear fuel is exploited, gradual separation of nanotubes from the matrix will occur. From this point of view, it is necessary to preserve the integrity of the nanotubes along the length, since when the nanotubes are completely detached from the matrix, it will no longer be able to transfer stresses between individual filaments and ensure the strength of the composite layer. Thus, in the case of massive ruptures of nanotubes, the strength of the composite layer will correspond to the strength of the matrix (nanotubes will freely slide along the channels in the matrix). It should be noted that complete separation of nanotubes from the matrix will occur at a much higher radiation dose than 10 dpa (3 years of exposure in a VVER).
Изменение геометрии углеродных нанотрубок (УНТ), обусловленное анизотропией радиационного роста углеродных слоев с гексагональной структурой, резко отличается от изменения геометрии углеродных волокон (УВ), полученных методом каталитического пиролиза ароматических и неароматических углеводородов, что связано с различной ориентацией решетки - ось [0001] для УВ направлена вдоль направления волокон, а для УНТ - перпендикулярно. Таким образом, в результате радиационного роста, в отличие от УВ, слои УНТ не удлиняются, а расширяются. Удлинение армирующего наполнителя в композитном материале приводит к разупрочнению такого материала, в то время как уширение - не приводит. С данной точки зрения, использование УНТ в качестве армирующего наполнителя является более выгодным.The change in the geometry of carbon nanotubes (CNTs) caused by the anisotropy of the radiation growth of carbon layers with a hexagonal structure differs sharply from the change in the geometry of carbon fibers (HC) obtained by the catalytic pyrolysis of aromatic and non-aromatic hydrocarbons, which is associated with different lattice orientations - the [0001] axis for The SW is directed along the direction of the fibers, and for CNTs - perpendicularly. Thus, as a result of radiation growth, in contrast to SWs, CNT layers do not lengthen, but expand. Elongation of the reinforcing filler in a composite material leads to softening of such material, while broadening does not. From this point of view, the use of CNTs as a reinforcing filler is more profitable.
Сам матричный материал должен быть максимально стойким к радиационному распуханию и охрупчиванию. Удачный выбор Ti и Zr в качестве матрицы для углеродных нанотрубок обусловлен не только их благоприятным сочетанием с нанотрубками, но и существованием довольно хорошо исследованного радиационного стойкого сплава типа РК-20 (Ti-20%Zr).The matrix material itself should be maximally resistant to radiation swelling and embrittlement. The successful choice of Ti and Zr as a matrix for carbon nanotubes is due not only to their favorable combination with nanotubes, but also to the existence of a fairly well-studied radiation-resistant alloy of the RK-20 type (Ti-20% Zr).
Таким образом, в качестве матрицы для композитного слоя с нанотрубками целесообразно выбрать сплав на основе Ti, ввиду экспериментально установленной смачиваемости титаном алмаза и графита. Перспективным является легирование титановой матрицы цирконием на уровне 20-30 ат.% для повышения радиационной стойкости.Thus, it is expedient to choose an alloy based on Ti as a matrix for a composite layer with nanotubes, in view of the experimentally established wettability of diamond and graphite by titanium. Doping of the titanium matrix with zirconium at a level of 20-30 at.% Is promising in order to increase the radiation resistance.
Третьим слоем (9) является барьерный слой, предназначенный для препятствия проникновения углерода и материала матрицы композитного слоя (Ti, Zr) во внешний защитный хромовый слой. Наиболее перспективными элементами данного слоя являются V, W и Mo ввиду отсутствия образования легкоплавких эвтектик и хрупких интерметаллидных фаз как с Cr, так и с Ti. Для приближения КТР данного слоя к КТР сплава Э110 наиболее перспективным является сплав Mo-30%V c КТР 6⋅10-6 град-1.The third layer (9) is a barrier layer designed to prevent the penetration of carbon and matrix material of the composite layer (Ti, Zr) into the outer protective chromium layer. The most promising elements of this layer are V, W and Mo due to the absence of the formation of low-melting eutectics and brittle intermetallic phases with both Cr and Ti. For approaching the CTE of this layer to the CTE of the E110 alloy, the most promising is the Mo-30% V alloy with a CTE of 6⋅10 -6 deg -1 .
В качестве внешнего защитного слоя (7) предпочтительно выбрать сплав Cr-(5-20 ат.%)Al - (0,1-1,0 ат.%)Y ввиду схожести его коэффициента термического расширения (КТР) со сплавом Э110 на уровне ~6⋅10-6 град-1 и высокой коррозионной стойкости в паре вплоть до температур ~1500°С, а также отсутствия растворимости в воде в штатных условиях эксплуатации ВВЭР. Защитный хромовый слой в чистом виде обладают низкой пластичностью и растворяется в воде. Для повышения пластичности и коррозионной стойкости в воде хрома возможно легирование алюминием на уровне 6-25 ат.%. Вклад алюминия преимущественно заключается в том, что оксиды хрома и алюминия полностью растворимы друг в друге, а образование их совместных оксидов отличается пониженными напряжениями в образуемом защитном слое (Cr, Al)2O3.As the outer protective layer (7), it is preferable to choose the Cr- (5-20 at.%) Al - (0.1-1.0 at.%) Y alloy due to the similarity of its thermal expansion coefficient (CTE) with the E110 alloy at the level ~ 6⋅10 -6 deg -1 and high corrosion resistance in steam up to temperatures of ~ 1500 ° C, as well as the absence of solubility in water under normal operating conditions of VVER. The pure chromium layer has low plasticity and dissolves in water. To increase the plasticity and corrosion resistance in water, chromium can be alloyed with aluminum at a level of 6-25 at.%. The contribution of aluminum mainly lies in the fact that the oxides of chromium and aluminum are completely soluble in each other, and the formation of their joint oxides is characterized by reduced stresses in the formed protective layer (Cr, Al) 2 O 3 .
Al является элементом, образующим легкоплавкие эвтектики и хрупкие фазы со всеми элементами покрытия. В связи с этим содержание Al в хромовом покрытии следует сильно ограничить (на уровне менее 10 ат.%).Al is an element that forms low-melting eutectics and brittle phases with all coating elements. In this regard, the Al content in the chromium coating should be strongly limited (at less than 10 at.%).
Дорогостоящие редкие земли, такие как Sc, Th и Y могут вводиться в отдельные слои для повышения пластичности покрытия. Полностью растворяясь в материале покрытия, они захватывают примеси O, N, C, H, Cl, I и т.п. и выпадают по границам зерен в виде наноразмерных частиц, существенно повышая пластичность материала.Expensive rare earths such as Sc, Th and Y can be added to separate layers to increase the ductility of the coating. Fully dissolving in the coating material, they capture impurities O, N, C, H, Cl, I, etc. and fall out along the grain boundaries in the form of nanosized particles, significantly increasing the plasticity of the material.
Вопрос фреттинг-коррозии, возникающей при контакте ячеек дистанционирующей решетки (ДР) с оболочкой твэла, был отставлен в сторону после получения отрицательных результатов по радиационной стойкости покрытия CrN. Однако, низкую радиационную стойкость нитрида, выражающуюся в появлении на поверхности крупных трещин, возможно обойти при создании узких колец нитрида конкретно в области контакта ДР с оболочкой твэла. Количество ДР в ТВС - 12-13. Ширина взаимодействия кольца с ДР - до 26 мм. Таким образом, локальное азотирование поверхности с целью создания износостойкого нитрида хрома (глубиной до 10 мкм в зависимости от толщины внешнего коррозионностойкого слоя), необходимо на последней стадии для уменьшения фреттинг-коррозии покрытия.The issue of fretting corrosion arising from the contact of the spacer grid (SP) cells with the fuel element cladding was put aside after obtaining negative results on the radiation resistance of the CrN coating. However, the low radiation resistance of nitride, which is expressed in the appearance of large cracks on the surface, can be bypassed by creating narrow nitride rings specifically in the area of contact between the DR and the fuel element cladding. The number of DR in fuel assemblies is 12-13. The width of the interaction of the ring with the DR is up to 26 mm. Thus, local nitriding of the surface in order to create wear-resistant chromium nitride (up to a depth of 10 μm, depending on the thickness of the outer corrosion-resistant layer) is necessary at the last stage to reduce the fretting corrosion of the coating.
В качестве последнего этапа можно рассматривать магнетронное нанесение тонкого слоя углерода (~10 нм), играющего роль твердой смазки, что необходимо для более безопасной сборки ТВС. Толщину слоя смазки следует сильно ограничить в связи с его растворением в воде в процессе эксплуатации.The last stage is the magnetron deposition of a thin carbon layer (~ 10 nm), which plays the role of a solid lubricant, which is necessary for a safer assembly of fuel assemblies. The thickness of the lubricant layer should be severely limited due to its dissolution in water during operation.
Другая концепция покрытия имеет вид Э110 - Nb (с нанотрубками) - Cr-Al и относительно проста. Отсутствие барьерных слоев в данной концепции обусловлено хорошей совместимостью ниобия со всеми компонентами покрытия. Образование интерметаллида NbCr2 на границе композитного и защитного слоя не должно приводить к понижению пластичности в связи с тем, что комплексы дефектов и дислокационные петли будут задерживаться на нанотрубках, а сам по себе интерметаллид NbCr2 является фазой Лавеса кубического типа и имеет когерентную связь с окружающим материалом.Another coating concept is E110 - Nb (with nanotubes) - Cr-Al and is relatively simple. The absence of barrier layers in this concept is due to the good compatibility of niobium with all coating components. The formation of the intermetallic compound NbCr 2 at the interface between the composite and protective layer should not lead to a decrease in plasticity due to the fact that complexes of defects and dislocation loops will be retained on nanotubes, and the intermetallic compound NbCr 2 itself is a cubic Laves phase and has a coherent connection with the surrounding material.
Предварительное модифицирование поверхности сплава Э110 лазерным излучением перед нанесением покрытия с целью закалки целесообразно для уменьшения размера зерна, т.е. для увеличения периметра границ зерен, контактирующих с покрытием. Известно, что все поры, трещины и хрупкие фазы начинают зарождаться на границах зерен. Увеличение периметра этих границ приводит к уменьшению вероятности коагуляции дефектов на границе Э110-покрытие и уменьшению вероятности его отслоения.Preliminary modification of the surface of alloy E110 by laser radiation prior to coating deposition for hardening is advisable to reduce the grain size, i.e. to increase the perimeter of grain boundaries in contact with the coating. It is known that all pores, cracks and brittle phases begin to nucleate at grain boundaries. An increase in the perimeter of these boundaries leads to a decrease in the probability of coagulation of defects at the E110-coating boundary and a decrease in the probability of its delamination.
График зависимости предельного давления на разрыв оболочки из сплава Э110 с хромовым и композитным покрытием (для варианта с одним слоем композитного материала толщиной 6 мкм) при радиальной нагрузке в диапазоне температур 600-1000°С показан на Фиг. 3. Из теоретически рассчитанных величин предельного внутреннего давления следует, что при температуре 800°С твэл начинает разрываться при внутреннем давлении в ~ 20 атм, что соответствует экспериментальным данным. Увеличение предельного давления при нанесении хромового покрытия составляет всего 2-3 атм, в то время как при использовании УВ значение предельного давления возрастает до ~65 атм. Следует отметить, что при температуре 1000°С прочность оболочки твэла при использовании композитного покрытия возрастает на порядок (41 атм против 3 атм).The graph of the dependence of the ultimate rupture pressure of the shell made of alloy E110 with chrome and composite coating (for the variant with one layer of
На Фиг. 4 приведена схема горизонтального варианта модульной системы для нанесения покрытия. Покрытие может наноситься как на оболочку твэла, так и на укомплектованный топливом герметичный твэл.FIG. 4 is a schematic diagram of a horizontal version of a modular coating system. The coating can be applied both to the cladding of a fuel element and to a sealed fuel element equipped with fuel.
Камера представляет из себя коаксиальную конструкцию, разделённую на рабочие зоны. Обрабатываемый исходный твэл (или его исходная циркониевая оболочка) (13) закрепляется на подвижном штоке (11), который с помощью механизма (10) обеспечивает поступательно-вращательное движение твэла вдоль оси камеры. Центровку твэла обеспечивают шаровые опоры (19). Рабочие зоны камеры отделены друг от друга защитными диафрагмами (12). В нижней (по схеме) зоне осуществляется обработка поверхности твэла для дальнейшей работы. Подготовка поверхности циркониевой оболочки твэла перед нанесением покрытия осуществляется с помощью источника (18). В зависимости от решаемой задачи в качестве такого источника может выступать источник высокоэнергетических ионных пучков, лазерные системы различных длин волн и т.д. После обработки твэл перемещается в рабочую зону напыления первого барьерного слоя. Слой напыляется коаксиальной магнетронной распылительной системой (описанной в патенте RU 2686399), в которой распыляется требуемый материал катода (14). Равномерность распыления катода (14) обеспечивается вращением магнитной системы (17). После нанесения первого барьерного слоя твэл перемещается в зону намотки бандажа. В этой зоне с помощью укладчика (15) на поверхность твэла наматывается углеродосодержащий материал в виде жгута или пленки нанотрубок или углеродных волокон (6), намотка жгута или пленки происходит при непрерывном напылении Ti-Zr сплава, пропитка которым жгутов или пленки нанотрубок имеет решающее значение для обеспечения необходимого межфазового сцепления. Для улучшения степени адгезии армирующего наполнителя (УНТ) с Ti-Zr матрицей (или, к примеру, с матрицей из сплава Nb), УНТ предварительно могут содержать в себе частицы аналогичного матрице материала. Далее твэл с намотанными на его оболочку нанотрубками поступает в зону напыления второго барьерного слоя из вольфрама, после чего поступает в зону напыления внешнего слоя из хром-алюминиевого сплава. Готовый твэл извлекается через шлюзовую камеру (16). Таким образом, выше описан вариант создания многослойного защитного покрытия в виде - сплав Э110 - Ta,Nb - Ti,Zr,арм. УНТ(УВ) - V,Mo,W-Cr,Al,Y c локальным азотированием внешнего коррозионностойкого сплава Cr-Al-Y для повышения стойкости к фреттинг-коррозии твэлов в областях контакта с дистанционирующей решеткой.The camera is a coaxial structure, divided into working areas. The processed initial fuel element (or its initial zirconium cladding) (13) is fixed on a movable rod (11), which, using a mechanism (10), provides a translational-rotational movement of the fuel element along the chamber axis. The alignment of the fuel element is provided by ball bearings (19). The working zones of the chamber are separated from each other by protective diaphragms (12). In the lower (according to the scheme) zone, the surface of the fuel element is processed for further work. The surface preparation of the zirconium cladding of a fuel element before coating is carried out using a source (18). Depending on the problem to be solved, such a source can be a source of high-energy ion beams, laser systems of various wavelengths, etc. After processing, the fuel element moves to the working area of the first barrier layer deposition. The layer is sprayed with a coaxial magnetron sputtering system (described in patent RU 2686399), in which the required cathode material is sprayed (14). The uniformity of the sputtering of the cathode (14) is ensured by the rotation of the magnetic system (17). After the application of the first barrier layer, the fuel rod moves into the band winding zone. In this zone, with the help of a stacker (15), a carbon-containing material is wound on the surface of a fuel element in the form of a bundle or a film of nanotubes or carbon fibers (6), the winding of a bundle or film occurs with continuous deposition of a Ti-Zr alloy, the impregnation of which of bundles or a film of nanotubes is of decisive importance. to ensure the necessary interfacial coupling. To improve the degree of adhesion of a reinforcing filler (CNT) with a Ti-Zr matrix (or, for example, with an Nb alloy matrix), CNTs can preliminarily contain particles of a material similar to the matrix. Further, the fuel element with nanotubes wound on its shell enters the deposition zone of the second barrier layer made of tungsten, after which it enters the deposition zone of the outer layer of chromium-aluminum alloy. The finished fuel element is removed through the airlock (16). Thus, the above described a variant of creating a multilayer protective coating in the form - alloy E110 - Ta, Nb - Ti, Zr, arm. CNTs (HC) - V, Mo, W-Cr, Al, Y with local nitriding of the external corrosion-resistant alloy Cr-Al-Y to increase the resistance to fretting corrosion of fuel elements in the areas of contact with the spacer grid.
Хотя предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения были описаны выше, следует понимать, что они представлены только в качестве примера, а не ограничения. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что в него могут быть внесены различные изменения в форме и деталях без отклонения от сущности и объема изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не должно ограничиваться описанными выше примерными вариантами осуществления, а должно определяться только в соответствии с нижеследующей формулой изобретения и ее эквивалентами. Кроме того, хотя некоторые преимущества изобретения были описаны здесь, следует понимать, что не обязательно все такие преимущества могут быть достигнуты в соответствии с любым конкретным вариантом осуществления изобретения.Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, it should be understood that they are presented only by way of example and not limitation. It will be apparent to those skilled in the art that various changes can be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention. Thus, the present invention should not be limited to the above-described exemplary embodiments, but should be defined only in accordance with the following claims and their equivalents. In addition, while some of the advantages of the invention have been described herein, it should be understood that not all such advantages may necessarily be achieved in accordance with any particular embodiment of the invention.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Тепловыделяющие элементы (твэлы) ядерных реакторов, выполненные в соответствии с изобретением, предназначены для эксплуатации в составе тепловыделяющих сборок (ТВС) в активной зоне (АЗ) реакторных установок (РУ) на тепловых нейтронах с водяным теплоносителем.Fuel elements (fuel elements) of nuclear reactors, made in accordance with the invention, are intended for operation as part of fuel assemblies (FA) in the core (AZ) of thermal neutron water-cooled reactors (RU).
Список использованных источников:List of sources used:
1. Б. Фрост. Твэлы ядерных реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1986.1. B. Frost. Fuel elements of nuclear reactors. - M .: Energoatomizdat, 1986.
2. О. Б. Самойлов, Г. Б. Усынин, А. М. Ахметьев. Безопасность ядерных энергетических установок. - М.: Энергоатомиздат, 1989.2.O.B. Samoilov, G. B. Usynin, A. M. Akhmetyev. Safety of nuclear power plants. - M .: Energoatomizdat, 1989.
3. А. В. Андреева. Основы физикохимии и технологии композитов: Учеб. пособие для вузов. - М.: ИПРЖР, 2001.3. A. V. Andreeva. Fundamentals of physical chemistry and technology of composites: Textbook. manual for universities. - M .: IPRZhR, 2001.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019118532A RU2740701C2 (en) | 2019-06-14 | 2019-06-14 | Fuel element with composite protective coating |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019118532A RU2740701C2 (en) | 2019-06-14 | 2019-06-14 | Fuel element with composite protective coating |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2019118532A RU2019118532A (en) | 2020-12-14 |
| RU2019118532A3 RU2019118532A3 (en) | 2020-12-14 |
| RU2740701C2 true RU2740701C2 (en) | 2021-01-19 |
Family
ID=73835231
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019118532A RU2740701C2 (en) | 2019-06-14 | 2019-06-14 | Fuel element with composite protective coating |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2740701C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024064602A1 (en) * | 2022-09-23 | 2024-03-28 | Westinghouse Electric Company Llc | Fiber reinforced multi-layered wear and corrosion coatings of zirconium alloy nuclear fuel cladding |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117721416B (en) * | 2023-12-18 | 2024-09-13 | 上海交通大学 | Zirconium alloy surface composite coating for cores and preparation method thereof |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2427046C1 (en) * | 2009-11-25 | 2011-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Красная звезда" | Protection method of in-core elements against destruction |
| EP2695164A2 (en) * | 2011-04-08 | 2014-02-12 | Searete LLC | Nuclear fuel and method of fabricating the same |
| US20170278586A1 (en) * | 2015-02-19 | 2017-09-28 | X-Energy, Llc | Nuclear fuel pebble and method of manufacturing the same |
| US20170287578A1 (en) * | 2014-09-17 | 2017-10-05 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Nuclear fuel claddings, production method thereof and uses of same against oxidation/hydriding |
| RU2686399C1 (en) * | 2018-03-02 | 2019-04-25 | Владимир Михайлович Борисов | Device and method for coating long products |
-
2019
- 2019-06-14 RU RU2019118532A patent/RU2740701C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2427046C1 (en) * | 2009-11-25 | 2011-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Красная звезда" | Protection method of in-core elements against destruction |
| EP2695164A2 (en) * | 2011-04-08 | 2014-02-12 | Searete LLC | Nuclear fuel and method of fabricating the same |
| US20170287578A1 (en) * | 2014-09-17 | 2017-10-05 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Nuclear fuel claddings, production method thereof and uses of same against oxidation/hydriding |
| US20170278586A1 (en) * | 2015-02-19 | 2017-09-28 | X-Energy, Llc | Nuclear fuel pebble and method of manufacturing the same |
| RU2686399C1 (en) * | 2018-03-02 | 2019-04-25 | Владимир Михайлович Борисов | Device and method for coating long products |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024064602A1 (en) * | 2022-09-23 | 2024-03-28 | Westinghouse Electric Company Llc | Fiber reinforced multi-layered wear and corrosion coatings of zirconium alloy nuclear fuel cladding |
| US12421593B2 (en) | 2022-09-23 | 2025-09-23 | Westinghouse Electric Company Llc | Fiber reinforced multi-layered wear and corrosion coatings of zirconium alloy nuclear fuel cladding |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2019118532A (en) | 2020-12-14 |
| RU2019118532A3 (en) | 2020-12-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Cheng et al. | Improving accident tolerance of nuclear fuel with coated Mo-alloy cladding | |
| You | Copper matrix composites as heat sink materials for water-cooled divertor target | |
| Yueh et al. | Silicon carbide composite for light water reactor fuel assembly applications | |
| JP6966436B2 (en) | Multilayer composite fuel cladding tube with high temperature airtightness and accident resistance and its forming method | |
| US9548139B2 (en) | Multilayer tube in ceramic matrix composite material, resulting nuclear fuel cladding and associated manufacturing processes | |
| Linsmeier et al. | Development of advanced high heat flux and plasma-facing materials | |
| Koo et al. | KAERI’s development of LWR accident-tolerant fuel | |
| US9275762B2 (en) | Cladding material, tube including such cladding material and methods of forming the same | |
| EP3117440B1 (en) | Double-sealed fuel rod end plug for ceramic-containing cladding | |
| JP3614885B2 (en) | Zircaloy tube with excellent crack growth resistance | |
| KR101393327B1 (en) | Plasma spray surface coating on Zirconium alloy for increasing the corrosion resistance at very high temperature | |
| KR20190119611A (en) | Steel-Vanadium Alloy Cladding for Fuel Elements | |
| US20120314831A1 (en) | Light Water Reactor TRISO Particle-Metal-Matrix Composite Fuel | |
| RU2740701C2 (en) | Fuel element with composite protective coating | |
| US4445942A (en) | Method for forming nuclear fuel containers of a composite construction and the product thereof | |
| JP6850209B2 (en) | Joining member, joining structure using it, and manufacturing method of joining member | |
| KR20160005819A (en) | Method for manufacturing of Zirconium alloy cladding tubes and the Zirconium alloy cladding tubes thereby | |
| US4659540A (en) | Composite construction for nuclear fuel containers | |
| KR20240014490A (en) | Random grain structure coating applied by cathode arc on zirconium alloy nuclear fuel cladding | |
| Pino et al. | The quest for safe and reliable fuel cladding materials | |
| US20240212870A1 (en) | Effective coating morphology to protect zr alloy cladding from oxidation and hydriding | |
| Karpyuk et al. | 42KhNM Alloy and Silicon Carbide as Material for Accident-Tolerant Fuel-Rod Cladding | |
| Jung et al. | Metal-ceramic hybrid fuel cladding tubes aiming at suppressed hydrogen release properties | |
| Zabirov et al. | Analysis of Thermophysical Justification of the Applicability of Accident Tolerant Fuel for Nuclear Power Plants: Current Concepts, Technologies, and Chemical Stability of Accident Tolerant Fuel | |
| JP7350254B2 (en) | Fuel rod with end plug attached |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE9A | Changing address for correspondence with an applicant |