[go: up one dir, main page]

RU2760902C1 - Uranium-based alloy (options) - Google Patents

Uranium-based alloy (options) Download PDF

Info

Publication number
RU2760902C1
RU2760902C1 RU2021113397A RU2021113397A RU2760902C1 RU 2760902 C1 RU2760902 C1 RU 2760902C1 RU 2021113397 A RU2021113397 A RU 2021113397A RU 2021113397 A RU2021113397 A RU 2021113397A RU 2760902 C1 RU2760902 C1 RU 2760902C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
uranium
alloy
melting
silicon
aluminum
Prior art date
Application number
RU2021113397A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Михайлович Савченко
Леонид Александрович КАРПЮК
Владислав Константинович Орлов
Андрей Витальевич Лаушкин
Сергей Владимирович Маранчак
Борис Александрович Тарасов
Евгений Вячеславович Майников
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом", Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority to RU2021113397A priority Critical patent/RU2760902C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2760902C1 publication Critical patent/RU2760902C1/en
Priority to PCT/RU2022/000153 priority patent/WO2022240311A1/en
Priority to CN202280032950.5A priority patent/CN117280066A/en
Priority to KR1020237037261A priority patent/KR102882793B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C43/00Alloys containing radioactive materials
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/42Selection of substances for use as reactor fuel
    • G21C3/58Solid reactor fuel Pellets made of fissile material
    • G21C3/60Metallic fuel; Intermetallic dispersions
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Abstract

FIELD: nuclear technology.SUBSTANCE: invention relates to nuclear technology and can be used as nuclear fuel in manufacture of fuel elements for thermal reactors of WWER type. The uranium-based alloy contains, by wt %: silicon 2.0-7.0, aluminum 0.1-2.0, at least one element selected from the group: carbon 0.15-2.0, oxygen 0.15-2.0, nitrogen 0.15-1.0, and uranium - the rest. The uranium-based alloy may additionally contain at least one of the elements selected from group: molybdenum 0.15-5.0, niobium 0.15-2.0, zirconium 0.15-2.0, titanium 0.15-2.0, tin 0.1-2.0, chromium 0.1-2.0.EFFECT: production of a high-density uranium-based alloy with high uranium capacity while maintaining thermodynamic stability, high liquidus temperature and high radiation resistance is ensured.6 cl, 6 dwg, 1 tbl, 11 ex

Description

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано как ядерное топливо при изготовлении тепловыделяющих элементов (твэлов) для коммерческих тепловых реакторов типа ВВЭР.The invention relates to nuclear technology and can be used as nuclear fuel in the manufacture of fuel elements (fuel elements) for commercial thermal reactors of the VVER type.

Во всем мире в рамках международной программы по разработке толерантного топлива разрабатывается более ураноемкое и теплопроводное, чем диоксид урана, металлическое топливо, позволяющее снизить рабочие температуры топлива до 500-600°С, в частности дисилицид урана и уран-молибденовые сплавы [H.J. Chichester, R.D. Mariani, S.L. Hayes, J.R. Kennedy, A.E. Wright, Y.S. Kim, "Advanced metallic fuel for ultrahigh bum-up: irradiation tests in ATR", Embedded Topical on Nuclear Fuel and Structural Material, American Nuclear Society (2012) P 1349-1351].All over the world, within the framework of an international program for the development of tolerant fuels, a more uranium-intensive and heat-conducting metal fuel than uranium dioxide is being developed, which makes it possible to reduce the operating temperatures of the fuel to 500-600 ° C, in particular uranium disilicide and uranium-molybdenum alloys [H.J. Chichester, R.D. Mariani, S.L. Hayes, J.R. Kennedy, A.E. Wright, Y.S. Kim, "Advanced metallic fuel for ultrahigh bum-up: irradiation tests in ATR," Embedded Topical on Nuclear Fuel and Structural Material, American Nuclear Society (2012) P 1349-1351].

Ядерное топливо из дисилицида урана (U3Si2) обладает большей ураноемкостью (на 17% больше, чем у диоксида урана), что позволяет также увеличить коэффициент конверсии ядерного топлива, снизить его обогащение, продлить кампанию твэлов и увеличить КИУМ (коэффициент использования установленной мощности), что в конечном итоге положительно скажется на экономике топливного цикла. К тому же кремний, по сравнению с молибденом в уран-молибденовом топливе, имеет меньшее сечение захвата тепловых нейтронов, что улучшает физику реактора.Nuclear fuel made of uranium disilicide (U3Si2) has a higher uranium content (17% more than that of uranium dioxide), which also makes it possible to increase the conversion rate of nuclear fuel, reduce its enrichment, extend the fuel rod campaign and increase the ICUF (installed capacity utilization factor), which ultimately have a positive impact on the economy of the fuel cycle. In addition, silicon, in comparison with molybdenum in uranium-molybdenum fuel, has a smaller thermal neutron capture cross-section, which improves the physics of the reactor.

Кроме того, в рамках программы по разработке толерантного топлива предполагается применение более стойких к пароциркониевой реакции оболочек из нержавеющих сталей, имеющих значительно больший, чем у оболочек из циркониевых сплавов, захват тепловых нейтронов [S.J. Zinkle, K.А. Terrani, J.C. Gehin, L.J. Ott, L.L. Snead, Accident tolerant fuels for LWRs: A perspective, Journal of Nuclear Materials 448 (2014). P. 374-379]. Чтобы не превышать нормированное ограничение в 5% обогащения по урану-235 у заводов-изготовителей, также требуется применение в этом случае более ураноемкого топлива.In addition, within the framework of the program for the development of tolerant fuel, it is proposed to use claddings made of stainless steels that are more resistant to the vapor-zirconium reaction, having a significantly greater capture of thermal neutrons than claddings made of zirconium alloys [S.J. Zinkle, K.A. Terrani, J.C. Gehin, L.J. Ott, L.L. Snead, Accident tolerant fuels for LWRs: A perspective, Journal of Nuclear Materials 448 (2014). P. 374-379]. In order not to exceed the standardized limitation of 5% uranium-235 enrichment at the manufacturing plants, the use of more uranium-intensive fuel is also required in this case.

Однако дисилицид урана имеет недостатки, сдерживающие его применение в реакторах типа ВВЭР как толерантное топливо. Это относительно большое распухание, низкая радиационная стойкость, низкая коррозионная стойкость и недостаточно высокая ураноемкость (11,3 г/см3), всего на 17% больше, чем у диоксида урана. К тому же из-за его большого распухания под облучением в таблетках из дисилицида урана приходится применять осевое отверстие для компенсации распухания, что дополнительно еще больше уменьшает содержание урана в твэле.However, uranium disilicide has disadvantages that restrain its use in VVER-type reactors as a tolerant fuel. This is a relatively large swelling, low radiation resistance, low corrosion resistance and insufficiently high uranium content (11.3 g / cm 3 ), only 17% more than that of uranium dioxide. In addition, because of its large swelling under irradiation in uranium disilicide pellets, it is necessary to use an axial hole to compensate for the swelling, which further reduces the uranium content in the fuel element.

Ранее также рассматривалось использование более плотного силицида урана (U3Si) с меньшим содержанием кремния и большим содержанием урана в качестве топлива для реактора типа CANDU [S.J. Zinkle, K.А. Terrani, J.C. Gehin, L.J. Ott, L.L. Snead, Accident tolerant fuels for LWRs: A perspective, Journal of Nuclear Materials 448 (2014). P. 374-379]. Однако из-за его низкой радиационной стойкости и коррозионной стойкости в воде оно применения не нашло, несмотря на большую, чем у диоксида урана плотность и теплопроводность. К тому же выигрыш в увеличении ураноемкости по сравнению с дисилицидом урана приводил к потере термодинамической стабильности сплава и, как следствие, деградации его свойств (коррозионной и радиационной стойкости).Previously, the use of a denser uranium silicide (U 3 Si) with a lower silicon content and a higher uranium content as fuel for a CANDU-type reactor was also considered [SJ Zinkle, K.A. Terrani, JC Gehin, LJ Ott, LL Snead, Accident tolerant fuels for LWRs: A perspective, Journal of Nuclear Materials 448 (2014). P. 374-379]. However, due to its low radiation resistance and corrosion resistance in water, it has not found application, despite its higher density and thermal conductivity than that of uranium dioxide. In addition, the gain in increasing the uranium capacity compared to uranium disilicide led to the loss of the thermodynamic stability of the alloy and, as a consequence, the degradation of its properties (corrosion and radiation resistance).

Известны патенты [GB 908941A МПК G21C 3/62 опубл. 24.10.1962, US 3567581A МПК G21C 3/30 опубл. 02.03.1971, СА664803А опубл. 11.06.1963] на сплавы урана, содержащие 2-8% масс. кремния.Known patents [GB 908941A IPC G21C 3/62 publ. 10.24.1962, US 3567581A IPC G21C 3/30 publ. 03/02/1971, CA664803A publ. 06/11/1963] for uranium alloys containing 2-8% of the mass. silicon.

Однако в реальности за счет неравновесной кристаллизации в сплавах всегда присутствует альфа урановая фаза, образующаяся при 935°С при кристаллизации эвтектики α + U3Si2.However, in reality, due to non-equilibrium crystallization, the alloys always contain the alpha uranium phase, which is formed at 935 ° C during the crystallization of the α + U 3 Si 2 eutectic.

Альфа урановая фаза обладает катастрофически низкими радиационными и коррозионными свойствами и ее даже ничтожное присутствие в структуре сплава вызывает разрушение топлива при работе в реакторе. Поэтому для образования более радиационно-стойкого силицида урана приходится проводить длительный отжиг сплавов в вакууме при 800-850°С в течение 100 часов. Однако и эта фаза, содержащая 3,5-3,8% кремния и обладающая высокой ураноемкостью (14,3 г/см3 вместо 11,3 г/см3 у дисилицида урана) имеет невысокую коррозионную стойкость в воде и сильно распухает при облучении в реакторе. Применение же сплавов на основе дисилицида урана (7-8% кремния), значительно снижает их ураноемкость.The alpha uranium phase has catastrophically low radiation and corrosive properties and its even negligible presence in the alloy structure causes the destruction of the fuel during operation in the reactor. Therefore, for the formation of a more radiation-resistant uranium silicide, it is necessary to carry out long-term annealing of alloys in vacuum at 800-850 ° C for 100 hours. However, this phase, which also contains 3.5-3.8% silicon and has a high uranium content (14.3 g / cm 3 instead of 11.3 g / cm 3 for uranium disilicide), has low corrosion resistance in water and swells strongly upon irradiation. in the reactor. The use of alloys based on uranium disilicide (7-8% silicon) significantly reduces their uranium content.

Сплавы на основе двойной системы уран-кремний имеют также относительно невысокую температуру ликвидуса (1050-1650°С), которая определяет стабильность формы топлива при аварийных ситуациях типа LOCA (Loss Off Coolant Accident - авария с потерей теплоносителя). Радиационная и коррозионная стойкость этих сплавов, относящихся к группе металлических сплавов, также невысока.Alloys based on the uranium-silicon double system also have a relatively low liquidus temperature (1050-1650 ° C), which determines the stability of the fuel shape in emergencies such as LOCA (Loss Off Coolant Accident). The radiation and corrosion resistance of these alloys, belonging to the group of metal alloys, is also low.

Известен патент [US 3717454A МПК С22С 43/00, опубл. 20.02.1973] на сплав урана, содержащего 3,5-3,7% масс. кремния и 0,2-1,5% масс. алюминия. Алюминий добавлен в сплав для облегчения стабилизации силицида урана в процессе длительного отжига и минимизации содержания альфа урановой фазы. Алюминий в количестве до 0,5% может растворяться в силициде урана, что способствует его термодинамической стабильности.Known patent [US 3717454A IPC C22C 43/00, publ. 02/20/1973] on an alloy of uranium containing 3.5-3.7% of the mass. silicon and 0.2-1.5% of the mass. aluminum. Aluminum is added to the alloy to facilitate the stabilization of the uranium silicide during prolonged annealing and to minimize the alpha uranium phase. Aluminum in an amount of up to 0.5% can dissolve in uranium silicide, which contributes to its thermodynamic stability.

Однако коррозионная стойкость этих сплавов в воде из-за микровключений альфа урана оказалась низкой. К тому же сохранялись все недостатки, присущие силициду урана - низкая радиационная стойкость (большое распухание), низкая температура ликвидуса и необходимость проведения длительного (до 100 часов) стабилизационного отжига.However, the corrosion resistance of these alloys in water was found to be low due to microinclusions of alpha uranium. In addition, all the disadvantages inherent in uranium silicide remained - low radiation resistance (large swelling), low liquidus temperature and the need for a long (up to 100 hours) stabilization annealing.

Наиболее близким аналогом к заявляемому является патент [US 4023992, МПК С22С 43/00, опубл. 17.05.1977] на сплав урана, содержащего 3,2-3,7% масс. кремния и 0,8-3,0% масс. алюминия. Благодаря высокому содержанию алюминия, структура сплава после отжига представляет собой преимущественно δ-фазу урана, с выделениями фаз UAl2 и U3Si2.The closest analogue to the claimed is the patent [US 4023992, IPC C22C 43/00, publ. 05/17/1977] on an alloy of uranium containing 3.2-3.7% of the mass. silicon and 0.8-3.0% of the mass. aluminum. Due to the high content of aluminum, the structure of the alloy after annealing is predominantly the δ-phase of uranium, with precipitates of the phases UAl 2 and U 3 Si 2 .

Однако, как отмечают сами авторы патента, большое содержание алюминия снижает как ураноемкость сплава (ураноемкость фазы UAl2 составляет всего 6,9 г/см3), так и температуру ликвидуса, по сравнению с двойным ураново-кремниевым сплавом, почти на 200°С, что снижает стойкость топлива к аварийным ситуациям. К тому же интерметаллидные фазы хотя и улучшают частично радиационную стойкость сплава, однако она остается недостаточной для применения данного топлива в реакторах типа ВВЭР вместо керамического топлива из диоксида урана, так как керамика по радиационной стойкости значительно превосходит интерметаллидные соединения. К тому же объемная доля интерметаллидных фаз в сплаве невелика (1-10%).However, as the authors of the patent themselves note, the high content of aluminum reduces both the uranium capacity of the alloy (the uranium capacity of the UAl 2 phase is only 6.9 g / cm 3 ) and the liquidus temperature, in comparison with the double uranium-silicon alloy, by almost 200 ° C. , which reduces the resistance of the fuel to emergency situations. In addition, although intermetallic phases partially improve the radiation resistance of the alloy, it remains insufficient for the use of this fuel in VVER-type reactors instead of ceramic fuel made of uranium dioxide, since the radiation resistance of ceramics is significantly superior to intermetallic compounds. In addition, the volume fraction of intermetallic phases in the alloy is small (1-10%).

Несмотря на повышенное содержание алюминия после выплавки такого сплава все равно требуется термообработка в течение 72 часов при 800-850°С для полного исчезновения α-фазы урана. К тому же образующаяся после термообработки преимущественно δ-фаза U3Si имеет также невысокую радиационную стойкость, свойственную силициду урана, и также недостаточна для его применения в реакторах типа ВВЭР вместо керамического топлива из диоксида урана.Despite the increased aluminum content, after smelting such an alloy, heat treatment is still required for 72 hours at 800-850 ° C for the complete disappearance of the α-phase of uranium. In addition, the predominantly δ-phase U 3 Si formed after heat treatment also has a low radiation resistance inherent to uranium silicide, and is also insufficient for its use in VVER-type reactors instead of ceramic fuel made of uranium dioxide.

Таким образом, анализ известных ураново-кремниевых сплавов, используемых как топливо в ядерных реакторах, показал, что в настоящее время отсутствуют сплавы, обладающие термодинамической стабильностью при сохранении высокой ураноемкости, высокой радиационной стойкостью (низким распуханием) и высокой температурой ликвидуса.Thus, the analysis of known uranium-silicon alloys used as fuel in nuclear reactors showed that currently there are no alloys with thermodynamic stability while maintaining high uranium capacity, high radiation resistance (low swelling) and high liquidus temperature.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение высокоплотного сплава на основе урана, с многофазной металлокерамической структурой, обладающего высокой ураноемкостью при сохранении термодинамической стабильности, более высокой температурой ликвидуса и более высокой радиационной стойкостью (меньшей склонностью к распуханию).The problem to be solved by the present invention is to obtain a high-density alloy based on uranium, with a multiphase cermet structure, having a high uranium capacity while maintaining thermodynamic stability, a higher liquidus temperature and a higher radiation resistance (less tendency to swelling).

Техническим результатом предлагаемого изобретения по первому и второму вариантам является получение высокоплотного сплава на основе урана обладающего высокой ураноемкостью при сохранении термодинамической стабильности, более высокой температурой ликвидуса и более высокой радиационной стойкостью.The technical result of the proposed invention according to the first and second options is to obtain a high-density alloy based on uranium with a high uranium content while maintaining thermodynamic stability, a higher liquidus temperature and a higher radiation resistance.

Технический результат по первому варианту достигается тем, что сплав на основе урана, содержит кремний и алюминий U-Si-Al, причем он дополнительно содержит, по крайней мере, один элемент X, выбранный из группы, содержащей углерод, кислород, азот при следующем соотношении компонентов, % масс.:The technical result according to the first embodiment is achieved in that the uranium-based alloy contains silicon and aluminum U-Si-Al, and it additionally contains at least one element X selected from the group containing carbon, oxygen, nitrogen in the following ratio components,% wt .:

КремнийSilicon 2,0-7,02.0-7.0 АлюминийAluminum 0,1-2,00.1-2.0

X - по крайней мере один из элементов в % масс., выбранный из группы:X - at least one of the elements in% wt., Selected from the group:

УглеродCarbon 0,15-2,00.15-2.0 КислородOxygen 0,15-2,00.15-2.0 АзотNitrogen 0,15-1,00.15-1.0 УранUranus ОстальноеRest

Сплав получен плавкой.The alloy is obtained by melting.

Сплав получен плавкой с последующим отжигом.The alloy was obtained by melting, followed by annealing.

Технический результат по второму варианту достигается тем, что сплав на основе урана, содержит кремний и алюминий U-Si-Al, причем он дополнительно содержит, по крайней мере, один элемент X выбранный из группы, содержащей углерод, кислород, азот, и дополнительно содержит, по крайней мере, один металл Y, выбранный из группы, содержащей молибден, ниобий, цирконий, титан, олово, хром, при следующем соотношении компонентов, % масс.:The technical result according to the second embodiment is achieved in that the uranium-based alloy contains silicon and aluminum U-Si-Al, and it additionally contains at least one element X selected from the group containing carbon, oxygen, nitrogen, and additionally contains , at least one metal Y, selected from the group containing molybdenum, niobium, zirconium, titanium, tin, chromium, in the following ratio of components, wt%:

КремнийSilicon 2,0-7,02.0-7.0 АлюминийAluminum 0,1-2,00.1-2.0

где X – по крайней мере один из элементов в % масс., выбранный из группы:where X is at least one of the elements in wt%, selected from the group:

УглеродCarbon 0,15-2,00.15-2.0 КислородOxygen 0,15-2,00.15-2.0 АзотNitrogen 0,15-1,00.15-1.0

где Y – по крайней мере один из металлов в % масс., выбранный из группы:where Y is at least one of the metals in wt%, selected from the group:

МолибденMolybdenum 0,15-5,00.15-5.0 НиобийNiobium 0,15-2,00.15-2.0 ЦирконийZirconium 0,15-2,00.15-2.0 ТитанTitanium 0,15-2,00.15-2.0 ОловоTin 0,1-2,00.1-2.0 ХромChromium 0,1-2,00.1-2.0 УранUranus ОстальноеRest

Сплав получен плавкой.The alloy is obtained by melting.

Сплав получен плавкой с последующим отжигом.The alloy was obtained by melting, followed by annealing.

Для решения поставленной задачи по первому варианту предлагается введение, по крайней мере, одного элемента X, выбранного из группы, содержащей углерод, кислород, азот в состав ураново-кремниевых сплавов, образующих керамические соединения U(C,N,O,Si), UO2, UC, UN и др. Эти соединения имеют высокую радиационную стойкость и высокие температуры плавления. В результате образующаяся комплексная структура сплава из силицидов урана оказывается упрочнена керамическими фазами. Формируется структура композитного типа, обладающая повышенными свойствами по сравнению с исходными силицидами урана.To solve the problem, according to the first option, it is proposed to introduce at least one element X selected from the group containing carbon, oxygen, nitrogen into the composition of uranium-silicon alloys that form ceramic compounds U (C, N, O, Si), UO 2 , UC, UN, etc. These compounds have high radiation resistance and high melting points. As a result, the resulting complex structure of an alloy of uranium silicides is strengthened by ceramic phases. A composite-type structure is formed, which has improved properties in comparison with the initial uranium silicides.

Керамические и интерметаллидные фазы имеют значительно лучшую радиационную стойкость и меньшее распухание за счет более прочной межатомной связи.Ceramic and intermetallic phases have significantly better radiation resistance and less swelling due to stronger interatomic bonds.

Наличие керамических тугоплавких соединений в структуре сплава значительно повышает температуру ликвидуса сплава, определяющую стабильность топлива при авариях типа LOCA в реакторах типа ВВЭР.The presence of ceramic refractory compounds in the alloy structure significantly increases the liquidus temperature of the alloy, which determines the stability of the fuel during LOCA accidents in VVER reactors.

Содержание элементов, образующих керамические фазы, менее 0,15% (углерод, кислород, азот) дает незначительный эффект улучшения термодинамической стабильности, повышения температуры ликвидуса и радиационной стойкости.The content of the elements forming the ceramic phases, less than 0.15% (carbon, oxygen, nitrogen), gives an insignificant effect of improving thermodynamic stability, increasing the liquidus temperature and radiation resistance.

Содержание углерода и кислорода свыше 2%, а азота свыше 1% снижает ураноемкость сплавов, а также приводит к уменьшению пластичности сплава за счет хрупкости керамических фаз. Это может привести к технологическим сложностям при изготовлении сплавов методом литья, сложностям при механической обработке сплавов и изготовлении топливных таблеток, а также получению необходимых размеров гранул из сплава методом центробежного распыления.The content of carbon and oxygen over 2%, and nitrogen over 1% reduces the uranium content of alloys, and also leads to a decrease in the ductility of the alloy due to the brittleness of the ceramic phases. This can lead to technological difficulties in the manufacture of alloys by casting, difficulties in the machining of alloys and the manufacture of fuel pellets, as well as obtaining the required size of alloy granules by centrifugal atomization.

Еще одной особенностью этих керамических тугоплавких соединений является то, что они связывают свободный уран при кристаллизации, уменьшая, тем самым, количество альфа урановой фазы после плавки и повышая термодинамическую стабильность, температуру ликвидуса и радиационную стойкость.Another feature of these ceramic refractory compounds is that they bind free uranium during crystallization, thereby reducing the amount of alpha uranium phase after melting and increasing thermodynamic stability, liquidus temperature and radiation resistance.

По второму варианту в сплав наряду с введением, по крайней мере, одного элемента X, выбранного из группы, содержащей углерод, кислород, азот, может быть введен, по крайней мере, один элемент Y выбранный из группы, содержащей молибден, ниобий, цирконий, титан, в качестве гамма стабилизирующих добавок для дополнительного превращения кластеров альфа урановой фазы в более радиационно-стойкую кубическую гамма фазу. Тем самым гамма стабилизирующие добавки способствуют сохранению термодинамической стабильности сплава. Кроме того, значительно снижается время последующего отжига на δ-фазу (U3Si), или даже имеется возможность совсем избежать этой технологической операции.According to the second option, in addition to the introduction of at least one element X selected from the group containing carbon, oxygen, nitrogen, at least one element Y selected from the group containing molybdenum, niobium, zirconium can be introduced into the alloy. titanium, as a gamma stabilizing additive for additional transformation of clusters of the alpha uranium phase into a more radiation-resistant cubic gamma phase. Thus, gamma stabilizing additives help to maintain the thermodynamic stability of the alloy. In addition, the time of the subsequent annealing to the δ-phase (U 3 Si) is significantly reduced, or it is even possible to completely avoid this technological operation.

Другие легирующие элементы Y - хром и олово, в небольших количествах, как дополнение к основным легирующим элементам, наряду с алюминием стабилизируют 8-фазу, а также образуют дополнительные интерметаллические фазы, улучшающие радиационную стойкость.Other alloying elements Y - chromium and tin, in small amounts, as an addition to the main alloying elements, along with aluminum, stabilize the 8-phase, and also form additional intermetallic phases that improve radiation resistance.

Добавки гамма стабилизирующих металлов менее 0,15% (Mo, Nb, Zr, Ti), связывающих избыточные выделения альфа урановой фазы, практически не влияют на стабилизацию гамма фазы, а более 5,0% для Мо и более 2,0% для Nb, Zr, Ti снижают ураноемкость сплавов.Additions of gamma stabilizing metals less than 0.15% (Mo, Nb, Zr, Ti), which bind excess precipitates of the alpha uranium phase, practically do not affect the stabilization of the gamma phase, but more than 5.0% for Mo and more than 2.0% for Nb , Zr, Ti reduce the uranium content of alloys.

Содержание олова, хрома менее 0,1%, образующих добавочные интерметаллидные фазы в сплаве, дает незначительный эффект.The content of tin, chromium is less than 0.1%, forming additional intermetallic phases in the alloy, gives an insignificant effect.

Содержание олова, хрома свыше 2% снижает ураноемкость сплавов.The content of tin, chromium over 2% reduces the uranium content of the alloys.

На Фиг. 1 представлена микроструктура сплава U-2,0Si-2,0Al-0,15C-0,15O-5,0Mo-2,0Nb после плавки по примеру 4.FIG. 1 shows the microstructure of the alloy U-2.0Si-2.0Al-0.15C-0.15O-5.0Mo-2.0Nb after melting according to example 4.

На Фиг. 2 представлена микроструктура сплава U-3,1Si-0,3Al-0,3C-0,3O-0,15N-0,7Zr-0,5Ti-2,0Sn-2,0Cr после плавки по примеру 5.FIG. 2 shows the microstructure of the alloy U-3.1Si-0.3Al-0.3C-0.3O-0.15N-0.7Zr-0.5Ti-2.0Sn-2.0Cr after melting according to example 5.

На Фиг. 3 представлена микроструктура сплава U-3,6Si-0,4Al-0,15C-0,4O-l,0N-1,0Мо после плавки по примеру 6.FIG. 3 shows the microstructure of the alloy U-3.6Si-0.4Al-0.15C-0.4O-1, 0N-1.0Mo after melting according to example 6.

На Фиг. 4 представлена микроструктура сплава U-7,0Si-0,1Al-0,15C-0,15O-0,3Mo-0,16Nb-0,1Cr после плавки по примеру 7.FIG. 4 shows the microstructure of the U-7.0Si-0.1Al-0.15C-0.15O-0.3Mo-0.16Nb-0.1Cr alloy after melting according to example 7.

На Фиг. 5 представлена микроструктура сплава U-3,2Si-0,3Al-2,0C-0,3O-0,15Zr-0,15Ti-1,0Sn-1,0Cr после плавки по примеру 8.FIG. 5 shows the microstructure of the alloy U-3.2Si-0.3Al-2.0C-0.3O-0.15Zr-0.15Ti-1.0Sn-1.0Cr after melting according to example 8.

На Фиг. 6 представлена микроструктура сплава U-2,7Si-0,1Al-0,15C-2,0O-2,0Zr-0,15Ti после отжига по примеру 9.FIG. 6 shows the microstructure of the U-2.7Si-0.1Al-0.15C-2.0O-2.0Zr-0.15Ti alloy after annealing according to example 9.

Примеры конкретного исполнения.Examples of specific execution.

Пример 1. Сплав состава (в масс. %)Example 1. Alloy composition (in wt.%)

КремнийSilicon 7,07.0 АлюминийAluminum 0,10.1 УглеродCarbon 0,150.15 КислородOxygen 0,150.15 АзотNitrogen 0,150.15 УранUranus ОстальноеRest

был изготовлен методом дуговой плавки.was made by arc melting method.

Плавка проводилась в малой дуговой печи марки МИФИ-9 в среде аргона в медной водоохлаждаемой изложнице, с нерасходуемым вольфрамовым электродом с многократным переплавом (4-5 переплавов).Melting was carried out in a small arc furnace of the MEPI-9 brand in an argon atmosphere in a water-cooled copper mold, with a non-consumable tungsten electrode with multiple remelting (4-5 remelts).

Для шихты использовались исходные материалы - уран металлический, кремний и алюминий в виде кусочков, углерод в виде порошка графита. Кислород вводился в виде гранул диоксида урана. Азот вводился в атмосферу печи и поглощался расплавом.For the charge, the starting materials were used - metallic uranium, silicon and aluminum in the form of pieces, carbon in the form of graphite powder. Oxygen was introduced in the form of uranium dioxide granules. Nitrogen was introduced into the furnace atmosphere and absorbed by the melt.

После плавки слитки разрезались для металлографических исследований.After melting, the ingots were cut for metallographic studies.

После плавки проводился отжиг на δ-фазу при 810°С в течение 24 часов в печи "CYD" в вакууме 1⋅10-5 мм рт. ст.After melting, annealing to the δ-phase was carried out at 810 ° C for 24 hours in a "CYD" furnace in a vacuum of 1⋅10 -5 mm Hg. Art.

Микроструктура сплава исследовалась как в литом состоянии, так и после отжига на δ-фазу с помощью оптического и электронного микроскопов.The microstructure of the alloy was investigated both in the as-cast state and after annealing to the δ-phase using optical and electron microscopes.

Температура ликвидуса сплава определялась методом дифференциального термического анализа (ДТА) при скоростях нагрева и охлаждения 20 град/мин.The liquidus temperature of the alloy was determined by differential thermal analysis (DTA) at heating and cooling rates of 20 deg / min.

Рентгеновский фазовый анализ проводился на дифрактометре общего назначения ДРОН-3 с использованием монохроматизированного CuKp излучения с длиной волны равной 0,1393 нм, путем непрерывного сканирования со скоростью 1 град/мин.X-ray phase analysis was carried out on a general-purpose DRON-3 diffractometer using monochromatic CuKp radiation with a wavelength of 0.1393 nm, by continuous scanning at a speed of 1 deg / min.

Основными структурными составляющими в сплаве являются U3Si2 и следы U(O,C,N). Температура ликвидуса сплава составляет 1810°С.The main structural components in the alloy are U 3 Si 2 and traces of U (O, C, N). The liquidus temperature of the alloy is 1810 ° C.

После отжига структура сплава практически не меняется, появляются небольшие следы U3Si фазы.After annealing, the structure of the alloy remains practically unchanged; small traces of the U 3 Si phase appear.

Остальные параметры сплава приведены в таблице.The rest of the alloy parameters are given in the table.

Пример 2. Сплав состава (в масс. %)Example 2. Alloy composition (in wt.%)

КремнийSilicon 2,02.0 АлюминийAluminum 0,10.1 УглеродCarbon 2,02.0 КислородOxygen 2,02.0 АзотNitrogen 0,150.15 УранUranus ОстальноеRest

был изготовлен методом индукционной плавки.was made by induction melting.

Индукционная плавка проводилась в вакууме 1⋅10-3 мм рт. ст. В качестве материала плавильной и литейной оснастки использовался высокоплотный графит марки АРВ. Для шихты использовались исходные материалы - уран металлический, кремний и алюминий в виде кусочков, углерод в виде порошка графита. Кислород вводился в виде гранул диоксида урана. Азот вводился в атмосферу печи и поглощался расплавом.Induction melting was carried out in a vacuum of 1⋅10 -3 mm Hg. Art. High-density ARV graphite was used as the material for the melting and foundry equipment. For the charge, the starting materials were used - metallic uranium, silicon and aluminum in the form of pieces, carbon in the form of graphite powder. Oxygen was introduced in the form of uranium dioxide granules. Nitrogen was introduced into the furnace atmosphere and absorbed by the melt.

Во время проведения плавок температура расплава контролировалась термопарой погружения. Для предотвращения взаимодействия расплава с материалом плавильной и литейной оснастки на ее рабочую поверхность наносилось защитное покрытие на основе окиси циркония.During the heats, the temperature of the melt was controlled by an immersion thermocouple. To prevent the interaction of the melt with the material of the melting and casting equipment, a protective coating based on zirconium oxide was applied to its working surface.

Температура расплава при сливе металла в изложницу составляла 1710°С. Контроль температуры осуществлялся с помощью термопары вольфрам-родий. Разливка расплава проводилась в графитовую изложницу. Слитки готовых сплавов представляли собой стержни диаметром от 31 до 32 мм и длиной от 200 до 250 мм. Вес слитков составлял около 2 кг. После плавки проводился отжиг на δ-фазу при 850°С в течение 10 часов в печи "CYD" в вакууме 1⋅10-5 мм рт. ст.The melt temperature when pouring the metal into the mold was 1710 ° C. Temperature control was carried out using a tungsten-rhodium thermocouple. The melt was poured into a graphite mold. Ingots of finished alloys were rods with a diameter of 31 to 32 mm and a length of 200 to 250 mm. The weight of the ingots was about 2 kg. After melting, annealing to the δ-phase was carried out at 850 ° C for 10 hours in a "CYD" furnace in a vacuum of 1⋅10 -5 mm Hg. Art.

Исследования сплава проводились по методике, описанной в примере 1.The studies of the alloy were carried out according to the method described in example 1.

Основными структурными составляющими в сплаве являются U3Si, U(C,O), UO2. Температура ликвидуса сплава составляет 1630°С.The main structural components in the alloy are U 3 Si, U (C, O), UO 2 . The liquidus temperature of the alloy is 1630 ° C.

После отжига структура сплава не изменилась.After annealing, the structure of the alloy did not change.

Остальные параметры сплава приведены в таблице.The rest of the alloy parameters are given in the table.

Пример 3. Сплав состава (в масс. %)Example 3. Alloy composition (in wt.%)

КремнийSilicon 2,02.0 АлюминийAluminum 2,02.0 УглеродCarbon 0,150.15 КислородOxygen 0,150.15 АзотNitrogen 1,01.0 УранUranus ОстальноеRest

был изготовлен методом индукционной плавки (см. пример 2).was made by induction melting (see example 2).

Температура расплава при сливе металла в изложницу составляла 1660°С.The melt temperature when pouring the metal into the mold was 1660 ° C.

Исследования проводились по методике, описанной в примере 1.The studies were carried out according to the method described in example 1.

Основными структурными составляющими в сплаве являются U3Si, U(C,O,N,Si), UAl2. Температура ликвидуса сплава составляет 1580°С.The main structural components in the alloy are U 3 Si, U (C, O, N, Si), UAl 2 . The liquidus temperature of the alloy is 1580 ° C.

После плавки проводился отжиг на δ-фазу. После отжига структура сплава практически не изменилась. Появились небольшие следы фазы UN.After melting, annealing to the δ-phase was carried out. After annealing, the structure of the alloy remained practically unchanged. Small traces of the UN phase appeared.

Остальные параметры сплава приведены в таблице.The rest of the alloy parameters are given in the table.

Пример 4. Сплав состава (в масс. %)Example 4. Alloy composition (in wt.%)

КремнийSilicon 2,02.0 АлюминийAluminum 2,02.0 УглеродCarbon 0,150.15 КислородOxygen 0,150.15 НиобийNiobium 2,02.0 МолибденMolybdenum 5,05.0 Уран Uranus Остальное Rest

был изготовлен методом индукционной плавки (см. пример 2).was made by induction melting (see example 2).

Для шихты использовались исходные материалы - уран металлический, кремний и алюминий в виде кусочков, углерод в виде порошка графита, молибден и ниобий в виде пластин. Кислород вводился в виде гранул диоксида урана.For the charge, the starting materials were used - metallic uranium, silicon and aluminum in the form of pieces, carbon in the form of graphite powder, molybdenum and niobium in the form of plates. Oxygen was introduced in the form of uranium dioxide granules.

Температура расплава при сливе металла в изложницу составляла 1550°С. После плавки проводился отжиг на δ-фазу при 850°С в течение 10 часов в печи "CYD" в вакууме 1⋅10-5 мм рт. ст.The melt temperature when pouring the metal into the mold was 1550 ° C. After melting, annealing to the δ-phase was carried out at 850 ° C for 10 hours in a "CYD" furnace in a vacuum of 1⋅10 -5 mm Hg. Art.

На Фиг. 1 представлена микроструктура сплава после плавки.FIG. 1 shows the microstructure of the alloy after melting.

Исследования сплава проводились по методике, описанной в примере 1.The studies of the alloy were carried out according to the method described in example 1.

Основными структурными составляющими в сплаве являются U3Si, U(O,C,Si), а также UAl2, U3Si2 и следы γ-U. Температура ликвидуса сплава составляет 1470°С.The main structural components in the alloy are U 3 Si, U (O, C, Si), as well as UAl 2 , U 3 Si 2 and traces of γ-U. The liquidus temperature of the alloy is 1470 ° C.

После отжига структура сплава практически не изменилась. Произошло небольшое увеличение U3Si и U(O,C,Si) фаз и уменьшение U3Si2 фазы.After annealing, the structure of the alloy remained practically unchanged. There was a slight increase in the U 3 Si and U (O, C, Si) phases and a decrease in the U 3 Si 2 phase.

Остальные параметры сплава приведены в таблице.The rest of the alloy parameters are given in the table.

Пример 5. Сплав состава (в масс. %)Example 5. Alloy composition (in wt.%)

КремнийSilicon 3,13.1 АлюминийAluminum 0,30.3 УглеродCarbon 0,150.15 КислородOxygen 0,30.3 АзотNitrogen 0,150.15 ЦирконийZirconium 0,30.3 ТитанTitanium 0,150.15 ОловоTin 2,02.0 ХромChromium 2,02.0 УранUranus ОстальноеRest

был изготовлен методом индукционной плавки (см. пример 2).was made by induction melting (see example 2).

Для шихты использовались исходные материалы - уран металлический, кремний, алюминий, цирконий, олово и хром в виде кусочков, углерод в виде порошка графита, титан в виде пластин. Кислород вводился в виде гранул диоксида урана. Азот вводился в атмосферу печи и поглощался расплавом.For the charge, the starting materials were used - metallic uranium, silicon, aluminum, zirconium, tin and chromium in the form of pieces, carbon in the form of graphite powder, titanium in the form of plates. Oxygen was introduced in the form of uranium dioxide granules. Nitrogen was introduced into the furnace atmosphere and absorbed by the melt.

Температура расплава при сливе металла в изложницу составляла 1610°С. После плавки проводился отжиг на δ-фазу при 810°С в течение 24 часов в печи "CYD" вакууме 1⋅10-5 мм рт. ст.The melt temperature when pouring the metal into the mold was 1610 ° C. After melting, annealing to the δ-phase was carried out at 810 ° C for 24 hours in a "CYD" furnace in a vacuum of 1⋅10 -5 mm Hg. Art.

Исследования проводились по методике, описанной в примере 1.The studies were carried out according to the method described in example 1.

На Фиг. 2 представлена микроструктура сплава после плавки. Основными структурными составляющими в сплаве являются U3Si, U(O,C,N,Si), U3Si2, U5Sn4 и следы γ-U. Температура ликвидуса сплава составляет 1530°С.FIG. 2 shows the microstructure of the alloy after melting. The main structural components in the alloy are U 3 Si, U (O, C, N, Si), U 3 Si 2 , U 5 Sn 4 and traces of γ-U. The liquidus temperature of the alloy is 1530 ° C.

После отжига структура сплава практически не изменилась. Произошло небольшое увеличение U3Si и U(O,C,N,Si) фаз и исчезновение следов γ-U фазы.After annealing, the structure of the alloy remained practically unchanged. There was a slight increase in the U 3 Si and U (O, C, N, Si) phases and the disappearance of traces of the γ-U phase.

Остальные параметры сплава приведены в таблице.The rest of the alloy parameters are given in the table.

Пример 6. Сплав состава (в масс. %)Example 6. Alloy composition (in wt.%)

КремнийSilicon 3,63.6 АлюминийAluminum 0,20.2 УглеродCarbon 0,150.15 КислородOxygen 0,20.2 АзотNitrogen 1,01.0 МолибденMolybdenum 0,30.3 УранUranus ОстальноеRest

был изготовлен методом дуговой плавки (см. пример 1).was made by arc melting (see example 1).

Для шихты использовались исходные материалы - уран металлический, кремний и алюминий в виде кусочков, углерод в виде порошка графита, молибден в виде пластин. Кислород вводился в виде гранул диоксида урана. Азот вводился в атмосферу печи и поглощался расплавом.For the charge, the starting materials were used - metallic uranium, silicon and aluminum in the form of pieces, carbon in the form of graphite powder, and molybdenum in the form of plates. Oxygen was introduced in the form of uranium dioxide granules. Nitrogen was introduced into the furnace atmosphere and absorbed by the melt.

После плавки слитки разрезались для металлографических исследований.After melting, the ingots were cut for metallographic studies.

После плавки проводился отжиг на δ-фазу при 810°С в течение 24 часов в печи "CYD" в вакууме 1⋅10-5 мм рт. ст.After melting, annealing to the δ-phase was carried out at 810 ° C for 24 hours in a "CYD" furnace in a vacuum of 1⋅10 -5 mm Hg. Art.

Исследования проводились по методике, описанной в примере 1.The studies were carried out according to the method described in example 1.

На Фиг. 3 представлена микроструктура сплава после плавки. Основными структурными составляющими в сплаве являются U3Si, U(N,O,C), U3Si2. Температура ликвидуса сплава составляет 1720°С.FIG. 3 shows the microstructure of the alloy after melting. The main structural components in the alloy are U 3 Si, U (N, O, C), U 3 Si 2 . The liquidus temperature of the alloy is 1720 ° C.

После отжига структура сплава практически не изменилась. Произошло небольшое увеличение U(N,O,C) фазы и уменьшение U3Si2 фазы.After annealing, the structure of the alloy remained practically unchanged. There was a slight increase in the U (N, O, C) phase and a decrease in the U 3 Si 2 phase.

Остальные параметры сплава приведены в таблице.The rest of the alloy parameters are given in the table.

Пример 7. Сплав состава (в масс. %)Example 7. Alloy composition (in wt.%)

КремнийSilicon 7,07.0 АлюминийAluminum 0,10.1 УглеродCarbon 0,150.15 КислородOxygen 0,150.15 МолибденMolybdenum 0,30.3 НиобийNiobium 0,160.16 ХромChromium 0,10.1 УранUranus ОстальноеRest

был изготовлен методом дуговой плавки (см. пример 1).was made by arc melting (see example 1).

Для шихты использовались исходные материалы - уран металлический, кремний, алюминий и хром в виде кусочков, углерод в виде порошка графита, молибден и ниобий в виде пластин. Кислород вводился в виде гранул диоксида урана.For the charge, the starting materials were used - metallic uranium, silicon, aluminum and chromium in the form of pieces, carbon in the form of graphite powder, molybdenum and niobium in the form of plates. Oxygen was introduced in the form of uranium dioxide granules.

Исследования проводились по методике, описанной в примере 1.The studies were carried out according to the method described in example 1.

На Фиг. 4 представлена микроструктура сплава после плавки. Основными структурными составляющими в сплаве являются U3Si2, U(O,C,Si). Температура ликвидуса сплава составляет 1810°С. После плавки отжиг на δ-фазу не проводился.FIG. 4 shows the microstructure of the alloy after melting. The main structural components in the alloy are U 3 Si 2 , U (O, C, Si). The liquidus temperature of the alloy is 1810 ° C. After melting, annealing to the δ-phase was not performed.

Остальные параметры сплава приведены в таблице.The rest of the alloy parameters are given in the table.

Пример 8. Сплав состава (в масс. %)Example 8. Alloy composition (in wt.%)

КремнийSilicon 3,23.2 АлюминийAluminum 0,30.3 УглеродCarbon 2,02.0 КислородOxygen 0,30.3 ЦирконийZirconium 0,150.15 ТитанTitanium 0,150.15 ОловоTin 0,50.5 ХромChromium 0,10.1 УранUranus ОстальноеRest

был изготовлен методом дуговой плавки (см. пример 1).was made by arc melting (see example 1).

Для шихты использовались исходные материалы - уран металлический, кремний, алюминий, цирконий, олово и хром в виде кусочков, углерод в виде порошка графита, титан в виде пластин. Кислород вводился в виде гранул диоксида урана.For the charge, the starting materials were used - metallic uranium, silicon, aluminum, zirconium, tin and chromium in the form of pieces, carbon in the form of graphite powder, titanium in the form of plates. Oxygen was introduced in the form of uranium dioxide granules.

Исследования проводились по методике, описанной в примере 1.The studies were carried out according to the method described in example 1.

На Фиг. 5 представлена микроструктура сплава после плавки. Основными структурными составляющими в сплаве являются U3Si, U(C,O), U3Si2, а также U5Sn4. Температура ликвидуса сплава составляет 1690°С. После плавки отжиг на δ-фазу не проводился.FIG. 5 shows the microstructure of the alloy after melting. The main structural components in the alloy are U 3 Si, U (C, O), U 3 Si 2 , and U 5 Sn 4 . The liquidus temperature of the alloy is 1690 ° C. After melting, annealing to the δ-phase was not performed.

Остальные параметры сплава приведены в таблице.The rest of the alloy parameters are given in the table.

Пример 9. Сплав состава (в масс. %)Example 9. Alloy composition (in wt.%)

КремнийSilicon 2,72.7 АлюминийAluminum 0,10.1 УглеродCarbon 0,150.15 КислородOxygen 2,02.0 ЦирконийZirconium 2,02.0 ТитанTitanium 0,150.15 УранUranus ОстальноеRest

был изготовлен методом дуговой плавки (см. пример 1).was made by arc melting (see example 1).

Для шихты использовались исходные материалы - уран металлический, кремний, алюминий и цирконий в виде кусочков, углерод в виде порошка графита, титан в виде пластин. Кислород вводился в виде гранул диоксида урана.For the charge, the starting materials were used - metallic uranium, silicon, aluminum and zirconium in the form of pieces, carbon in the form of graphite powder, titanium in the form of plates. Oxygen was introduced in the form of uranium dioxide granules.

Исследования проводились по методике, описанной в примере 1.The studies were carried out according to the method described in example 1.

После плавки проводился отжиг на δ-фазу при 850°С в течение 10 часов в печи "CYD" в вакууме 1⋅10-5 мм рт. ст.After melting, annealing to the δ-phase was carried out at 850 ° C for 10 hours in a "CYD" furnace in a vacuum of 1⋅10 -5 mm Hg. Art.

На Фиг. 6 представлена микроструктура сплава после плавки. Основными структурными составляющими в сплаве являются U3Si, UO2, а также U3Si2 и следы α-U. Температура ликвидуса сплава составляет 1740°С.FIG. 6 shows the microstructure of the alloy after melting. The main structural components in the alloy are U 3 Si, UO 2 , as well as U 3 Si 2 and traces of α-U. The liquidus temperature of the alloy is 1740 ° C.

После отжига следы α-U фазы превратились в γ-U фазу.After annealing, the traces of the α-U phase turned into the γ-U phase.

Остальные параметры сплава приведены в таблице.The rest of the alloy parameters are given in the table.

Пример 10. Сплав состава (в масс. %)Example 10. Alloy composition (in wt.%)

КремнийSilicon 2,02.0 АлюминийAluminum 0,10.1 УглеродCarbon 0,150.15 КислородOxygen 0,150.15 АзотNitrogen 0,150.15 МолибденMolybdenum 0,150.15 НиобийNiobium 2,02.0 ЦирконийZirconium 2,02.0 ТитанTitanium 2,02.0 ОловоTin 0,10.1 ХромChromium 2,02.0 УранUranus ОстальноеRest

был изготовлен методом индукционной плавки (см. пример 2).was made by induction melting (see example 2).

Для шихты использовались исходные материалы - уран металлический, кремний, алюминий, цирконий, олово и хром в виде кусочков, углерод в виде порошка графита, молибден, ниобий и титан в виде пластин. Кислород вводился в виде гранул диоксида урана. Азот вводился в атмосферу печи и поглощался расплавом.For the charge, the starting materials were used - metallic uranium, silicon, aluminum, zirconium, tin and chromium in the form of pieces, carbon in the form of graphite powder, molybdenum, niobium and titanium in the form of plates. Oxygen was introduced in the form of uranium dioxide granules. Nitrogen was introduced into the furnace atmosphere and absorbed by the melt.

Температура расплава при сливе металла в изложницу составляла 1670°С.The melt temperature when pouring the metal into the mold was 1670 ° C.

Исследования проводились по методике, описанной в примере 1.The studies were carried out according to the method described in example 1.

Основными структурными составляющими в сплаве являются U3Si, U(C,O,N.Si), следы γ-U. Температура ликвидуса сплава составляет 1590°С.The main structural components in the alloy are U 3 Si, U (C, O, N.Si), traces of γ-U. The liquidus temperature of the alloy is 1590 ° C.

После плавки проводился отжиг на δ-фазу. После отжига в структуре сплава увеличивается содержание γ-U фазы.After melting, annealing to the δ-phase was carried out. After annealing, the content of the γ-U phase increases in the alloy structure.

Остальные параметры сплава приведены в таблице.The rest of the alloy parameters are given in the table.

Пример 11. Сплав состава (в масс. %)Example 11. Alloy composition (in wt.%)

КремнийSilicon 2,02.0 АлюминийAluminum 0,30.3 УглеродCarbon 0,150.15 КислородOxygen 0,150.15 АзотNitrogen 0,150.15 МолибденMolybdenum 5,05.0 НиобийNiobium 0,150.15 ЦирконийZirconium 0,150.15 ТитанTitanium 0,150.15 ОловоTin 2,02.0 ХромChromium 0,10.1 УранUranus ОстальноеRest

был изготовлен методом индукционной плавки (см. пример 2).was made by induction melting (see example 2).

Для шихты использовались исходные материалы - уран металлический, кремний, алюминий, цирконий, олово и хром в виде кусочков, углерод в виде порошка графита, молибден, ниобий и титан в виде пластин. Кислород вводился как в виде гранул диоксида урана, так и в виде окиси молибдена (MoO3), имеющей низкую температуру плавления. Азот вводился в атмосферу печи и поглощался расплавом.For the charge, the starting materials were used - metallic uranium, silicon, aluminum, zirconium, tin and chromium in the form of pieces, carbon in the form of graphite powder, molybdenum, niobium and titanium in the form of plates. Oxygen was introduced both in the form of uranium dioxide granules and in the form of molybdenum oxide (MoO 3 ) having a low melting point. Nitrogen was introduced into the furnace atmosphere and absorbed by the melt.

Температура расплава при сливе металла в изложницу составляла 1640°С.The melt temperature when pouring the metal into the mold was 1640 ° C.

Исследования проводились по методике, описанной в примере 1.The studies were carried out according to the method described in example 1.

Основными структурными составляющими в сплаве являются U3Si, U(C,O,N,Si), γ-U, следы U5Sn4 и U3Si2. Температура ликвидуса сплава составляет 1560°С.The main structural components in the alloy are U 3 Si, U (C, O, N, Si), γ-U, traces of U 5 Sn 4 and U 3 Si 2 . The liquidus temperature of the alloy is 1560 ° C.

После плавки проводился отжиг на δ-фазу. После отжига в структуре сплава исчезает U3Si2 фаза.After melting, annealing to the δ-phase was carried out. After annealing, the U 3 Si 2 phase disappears in the alloy structure.

Остальные параметры сплава приведены в таблице.The rest of the alloy parameters are given in the table.

В таблице приведены основные свойства сплавов на основе урана (прототип) в сравнении с заявляемыми легированными сплавами на основе урана по примерам 1-11The table shows the main properties of uranium-based alloys (prototype) in comparison with the claimed alloyed alloys based on uranium in examples 1-11

Figure 00000001
Figure 00000001

Таким образом, заявляемый высокоплотный сплав на основе урана (варианты), содержащий кремний и алюминий, имеющий многофазную металлокерамическую структуру, состоящую из смеси дисилицида урана, керамических фаз, силицида урана и (или) интерметаллидных фаз, обеспечивает достижение технического результата - получение сплава, обладающего высокой ураноемкостью при сохранении термодинамической стабильности, более высокой температурой ликвидуса и более высокой радиационной стойкостью.Thus, the claimed high-density alloy based on uranium (options), containing silicon and aluminum, having a multiphase cermet structure, consisting of a mixture of uranium disilicide, ceramic phases, uranium silicide and (or) intermetallic phases, provides the achievement of the technical result - obtaining an alloy with high uranium capacity while maintaining thermodynamic stability, higher liquidus temperature and higher radiation resistance.

Claims (14)

1. Сплав на основе урана, содержащий кремний и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей углерод, кислород, азот, при следующем соотношении компонентов, мас.%:1. Alloy based on uranium containing silicon and aluminum, characterized in that it additionally contains at least one element selected from the group containing carbon, oxygen, nitrogen, in the following ratio of components, wt%: КремнийSilicon 2,0-7,02.0-7.0 АлюминийAluminum 0,1-2,00.1-2.0
по крайней мере один из элемент, выбранный из группы:at least one of the elements selected from the group: УглеродCarbon 0,15-2,00.15-2.0 КислородOxygen 0,15-2,00.15-2.0 АзотNitrogen 0,15-1,00.15-1.0 УранUranus ОстальноеRest
2. Сплав на основе урана по п. 1, отличающийся тем, что он получен плавкой.2. The uranium-based alloy according to claim 1, characterized in that it is obtained by melting. 3. Сплав на основе урана по п. 1, отличающийся тем, что он получен плавкой с последующим отжигом.3. The uranium-based alloy according to claim 1, characterized in that it is obtained by melting followed by annealing. 4. Сплав на основе урана, содержащий кремний и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей углерод, кислород, азот, и дополнительно содержит, по крайней мере, один металл, выбранный из группы, содержащей молибден, ниобий, цирконий, титан, олово, хром, при следующем соотношении компонентов, мас.%:4. Alloy based on uranium containing silicon and aluminum, characterized in that it additionally contains at least one element selected from the group containing carbon, oxygen, nitrogen, and further contains at least one metal selected from the group containing molybdenum, niobium, zirconium, titanium, tin, chromium, with the following ratio of components, wt%: КремнийSilicon 2,0-7,02.0-7.0 АлюминийAluminum 0,1-2,00.1-2.0
по крайней мере один из элементов, выбранный из группы:at least one of the elements selected from the group: УглеродCarbon 0,15-2,00.15-2.0 КислородOxygen 0,15-2,00.15-2.0 АзотNitrogen 0,15-1,00.15-1.0
по крайней мере один металл, выбранный из группы:at least one metal selected from the group: МолибденMolybdenum 0,15-5,00.15-5.0 НиобийNiobium 0,15-2,00.15-2.0 ЦирконийZirconium 0,15-2,00.15-2.0 ТитанTitanium 0,15-2,00.15-2.0 ОловоTin 0,1-2,00.1-2.0 ХромChromium 0,1-2,00.1-2.0 УранUranus ОстальноеRest
5. Сплав на основе урана по п. 4, отличающийся тем, что он получен плавкой.5. The uranium-based alloy according to claim 4, characterized in that it is obtained by melting. 6. Сплав на основе урана по п. 4, отличающийся тем, что он получен плавкой с последующим отжигом.6. The uranium-based alloy according to claim 4, characterized in that it is obtained by melting followed by annealing.
RU2021113397A 2021-05-11 2021-05-11 Uranium-based alloy (options) RU2760902C1 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021113397A RU2760902C1 (en) 2021-05-11 2021-05-11 Uranium-based alloy (options)
PCT/RU2022/000153 WO2022240311A1 (en) 2021-05-11 2022-05-05 Uranium-based alloy (variants)
CN202280032950.5A CN117280066A (en) 2021-05-11 2022-05-05 Uranium-based alloys (variants)
KR1020237037261A KR102882793B1 (en) 2021-05-11 2022-05-05 Uranium-based alloys (variants)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021113397A RU2760902C1 (en) 2021-05-11 2021-05-11 Uranium-based alloy (options)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2760902C1 true RU2760902C1 (en) 2021-12-01

Family

ID=79174484

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021113397A RU2760902C1 (en) 2021-05-11 2021-05-11 Uranium-based alloy (options)

Country Status (4)

Country Link
KR (1) KR102882793B1 (en)
CN (1) CN117280066A (en)
RU (1) RU2760902C1 (en)
WO (1) WO2022240311A1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1332984A (en) * 1961-09-01 1963-07-19 Nukem Gmbh Uranium alloys and nuclear fuels containing the aforesaid alloys
US3170788A (en) * 1962-07-16 1965-02-23 Martin H Binstock Uranium base alloy
US3717454A (en) * 1969-06-16 1973-02-20 Ca Atomic Energy Ltd Uranium-base alloys
US4023992A (en) * 1973-06-28 1977-05-17 Atomic Energy Of Canada Limited Uranium-base alloys
US20020050335A1 (en) * 2000-10-31 2002-05-02 Korea Atomic Energy Research Fabrication process of uranium foil having fine grains solidified rapidly from melt using cooling roll, and the fabrication apparatus
RU2193242C2 (en) * 2000-12-18 2002-11-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. академика А.А.Бочвара" Pelletized nuclear fuel
RU2376665C2 (en) * 2007-12-27 2009-12-20 Открытое акционерное общество "ТВЭЛ" High burn-up nuclear fuel tablet and method of making said tablet (versions)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1433120U (en) *
DE1433120B2 (en) * 1961-09-01 1971-05-27 Nukem Nuklear Chemie und Metallur gie GmbH, 6451 Wolfgang URANAL ALLOYS
GB1019156A (en) * 1964-12-17 1966-02-02 Atomic Energy Authority Uk Improvements in or relating to nuclear fuel materials
DE3346355C2 (en) * 1983-12-22 1985-11-07 Nukem Gmbh, 6450 Hanau Containers for the final disposal of radioactive waste

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1332984A (en) * 1961-09-01 1963-07-19 Nukem Gmbh Uranium alloys and nuclear fuels containing the aforesaid alloys
US3170788A (en) * 1962-07-16 1965-02-23 Martin H Binstock Uranium base alloy
US3717454A (en) * 1969-06-16 1973-02-20 Ca Atomic Energy Ltd Uranium-base alloys
US4023992A (en) * 1973-06-28 1977-05-17 Atomic Energy Of Canada Limited Uranium-base alloys
US20020050335A1 (en) * 2000-10-31 2002-05-02 Korea Atomic Energy Research Fabrication process of uranium foil having fine grains solidified rapidly from melt using cooling roll, and the fabrication apparatus
RU2193242C2 (en) * 2000-12-18 2002-11-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. академика А.А.Бочвара" Pelletized nuclear fuel
RU2376665C2 (en) * 2007-12-27 2009-12-20 Открытое акционерное общество "ТВЭЛ" High burn-up nuclear fuel tablet and method of making said tablet (versions)

Also Published As

Publication number Publication date
CN117280066A (en) 2023-12-22
KR102882793B1 (en) 2025-11-10
WO2022240311A1 (en) 2022-11-17
KR20240015064A (en) 2024-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102605213B (en) Germanium-containing Zr-Sn-Nb alloy for fuel cladding of nuclear power station
KR930009987B1 (en) Method of manufacturing tubes of zirconium alloys with improved corrosion resistance for thermal nuclear reactors
US2838395A (en) Niobium base high temperature alloys
CN117965987A (en) High-temperature-resistant yttrium silicon alloy material for nuclear shielding, preparation method and application thereof
RU2760902C1 (en) Uranium-based alloy (options)
CN105441717B (en) A kind of nuclear power core structural material zirconium-base alloy
JPH05247567A (en) Zirconium-bismuth-niobium alloy for bulkhead for nuclear fuel cladding
CN114561602B (en) NbTiZrU series uranium-containing high entropy alloy
US3243350A (en) Clad alloy fuel elements
US3346379A (en) Niobium base alloy
US4023992A (en) Uranium-base alloys
US9305667B1 (en) Nuclear fuel alloys or mixtures and method of making thereof
Bandriyana et al. Effect of Copper Addition on the High Temperature Oxidation of Zirconium Alloy ZrNbMoGe for Advanced Reactor Fuel Cladding Material
RU2763048C1 (en) Uranium-based metal ceramic alloy
KR100647810B1 (en) M-Mo-Al Ternary Metal Nuclear Fuel and Method for Manufacturing the Same
US3177069A (en) Methods of manufacturing fissionable materials for use in nuclear reactors
US3181946A (en) Columbium base alloys
US3782924A (en) Fine-grained zirconium-base material
CN114561603A (en) Novel NbHfZrU series uranium-containing high-entropy alloy
CN115896620B (en) Corrosion-resistant FeCrAl cladding and preparation method thereof
Dunning et al. Boron containing control materials
Savchenko et al. Zirconium Matrix Alloys for Uranium-Intensive Dispersion Fuel Compositions.
JPS6214085A (en) Manufacture of composite type nuclear fuel coated tube
US3717454A (en) Uranium-base alloys
Firstov et al. Рerspective alloy of the Zr-Nb-Cr system for the new generation of nuclear reactors