Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методики получения дисперсионного ядерного топлива методом СВС

Сведения об участнике
ФИО
Касаткин Денис Дмитриевич
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Машиностроение. Энергетика
Раздел области наук
Атомная энергетика
Тема
Разработка методики получения дисперсионного ядерного топлива методом СВС
Резюме
В данной работе рассматривается получение матричного материала для дисперсионного ядерного топлива. Дисперсионное топливо, несмотря на его безопасность и перспективность не используется на данный момент ни на одном из энергетических реакторов по причине сложности изготовления и дороговизны. Если способ производства и цену такого топлива сделать оптимальными, это топливо может успешно заменить существующее, которое не обеспечивает необходимую мощность и безопасность. Были проведены исследования по получению интерметаллидов. Изучение подверглись температуры синтезирования, фазовый состав и нейтронно-физические характеристики исследуемых образцов.
Ключевые слова
СВС, ДЯТ, дисперсионное ядерное топливо, матрица, интерметаллиды
Цели и задачи
Цель исследования
Разработать ресурсоэффективную технологию получения дисперсионного топлива методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
Задачи
- Рассмотреть существующие типы дисперсионных тепловыделяющих элементов.
- Предложить материалы, которые могут использоваться в качестве материалов дисперсионного топлива.
- Разработать технологию получения матричного материала для дисперсионного топлива.
- Отработать технологию получения дисперсионного топлива методом СВС.
Введение

Существующие тепловыделяющие элементы с керамическим топливом имеют существенный недостаток – низкую теплопроводность. При использовании керамического топлива в твэле реактора возникают опасные термические напряжения, которые могут привести к повреждениям твэлов. Решением этой проблемы может стать использование дисперсионного топлива. Дисперсионное топливо – это такой вид топлива, в котором частицы делящегося материала распределены по объему неделящегося материала (матрицы). Преимуществом дисперсионного топлива является высокая радиационная стойкость вследствие способности удерживать продукты деления в самом топливе, небольшими не перекрывающимися областями зон радиационных повреждений.

Методы и материалы

Были выделены основные этапы получения ДЯТ методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, а также приборы и оборудование, используемые для подготовки шихты, проведения синтеза и изучения некоторых параметров синтеза и конечного продукта.

На первом этапе происходит подготовка к синтезу. Диоксид урана смешивается с исходными компонентами в мельнице, что сопровождается механической активацией. Также на первом этапе можно выделить смешивание реагентов без предварительной механической активации, например, используя кубический смеситель штырькового типа с приводом ERWEKA.

Второй этап также является подготовительный к синтезу. Прессование позволяет позволять получать нужную форму продукта. Но здесь также необходимо изучение, так как существуют несколько параметров, от которых зависят свойства конечного продукта. Например, давление, время прессования, температура прессования и т. д.

Следующим этапом является синтез. Самая главная задача в СВС – научиться управлять реакцией синтеза с целью получения продукта с требуемыми параметрами.

Четвертый этап – последний этап, в котором происходит обработка полученных таблеток. Пятый этап – контроль, необходим для проверки качества топливных таблеток. 

Синтез матричного материала производился в специальном реакторе. Температура фиксировалась с помощью вольфрам-рениевой термопары, подключенной к универсальному контроллеру температуры.

Описание и обсуждение результатов

Одним из способов осуществления контроля над синтезом является измерение температуры изучаемой системы перед синтезом, во время синтеза и после синтеза. Такое наблюдение позволяет отслеживать изменение температуры инициирования, максимальной температуры синтеза и скорости остывания в зависимости от количественного и качественного изменения компонентов шихты.

На рисунке 1 представлена термограмма горения никеля-алюминия. Максимальная температура синтеза составляет 990 ̊C. Также видно, что синтез проходит за 2-3 секунды, что обеспечивает высокую производительность.

Разбавление готовым продуктом – важный прием, позволяющий уменьшить удельное энерговыделение, что в свою очередь понижает максимальную температуру синтеза. Максимальная температура синтеза снижается с разбавлением, и это дает получаемому продукту сохранять первоначальную форму. Получаемый без разбавления никель-алюминий реагирует бурно, получается слоистый и пористый. Таким образом, разбавление позволяет сохранить целостность продукта.

На рисунке 3 представлены изменения внешнего вида полученных образцов от разбавления. При разбавлении уже в 50% полученная таблетка из NiAl полностью сохраняет свою форму.

Рисунок 1 – Термограмма горения в системе Ni-Al

Второе преимущество разбавления – имитация ядерного топлива. ДЯТ должно иметь высокую концентрацию делящегося вещества, однако матрица его уменьшает. Соответственно, чем больше будет разбавление в процентном соотношении от всей массы топливной таблетки, тем меньше будет необходимо обогащение по урану-5.

Максимальное разбавление готовым продуктом достигнуто в 70%.

Рисунок 2 – Зависимость максимальной температуры синтеза от разбавления

При разбавлении в 30% максимальная температура синтеза не отличается от максимальной температуры синтеза никеля-алюминия без разбавления. Но при разбавлении в 70% температура уменьшилась на 110 ̊C.

Рисунок 3 – Изменение формы полученных таблеток от процентного разбавления:
1 – без разбавления, 2 – разбавление 30%, 3 – разбавление 40%, 4 – разбавление 50%

Были отобраны образцы с разбавлением в 30%, 50% и 70% для проведения рентгенофазового анализа. Разбавление осуществлялось никель-алюминием, которые был синтезирован в воздушной среде с давлением 10-1 Па.

Рисунок 4 – Рентгенограмма NiAl, полученного  в воздушной среде при давлении 10-1 Па

Из-за высокой температуры протекания синтеза алюминий взаимодействует не только с никелем, но еще и с кислородом, содержащимся в воздухе до оксида алюминия. Разбавление в 50% является оптимальным, так как дальнейшее добавление готового продукта приводит к получению дополнительных фаз.

Таблица 1 – Соединения, полученные во время синтеза при различном процентном разбавлении

Как видно, при 70% разбавлении наблюдается небольшое количество оксида алюминия – 5%, но высокое содержание Ni2Al3 – 25% и не вступившего в реакции никеля – 9%.

Используемые источники
1. Дисперсионные твэлы: в 2 т. / Самойлов А.Г., Волков В.С., Солонин М. И. – М.: Атомиздат, 1982 г. – 448 с.
2. Карбидное ядерное топливо: Учебное пособие. / Годин Ю.Г., Тенишев А.В. – М.: МИФИ, 2007. – 68 с.
3. Нитридное топливо для ядерной энергетики. / Алексеев С.В., Зайцев В.А. – М.: Техносфера, 2013. – 240 с.
4. Теплофизические свойства материалов ядерной техники: Учебно-справочное пособие. / Кириллов П.Л., Терентьева М.И., Денискина Н.Б. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ИздАт, 2007. – 200 с.
5. Miracle D.B., Darolia R. NiAl and its Alloys // Intermetallic Compounds. – 1995. – Vol. 2. – P. 55-74.
6. Физическое материаловедение: Учебник для вузов. В 6 т., Т. 6. Ч. 1. Конструкционные материалы ядерной техники / Под общей ред. Б.А. Калина. – М.: МИФИ, 2008. – 672 с.
7. Loria E.A. Gamma titanium aluminides as prospective structural materials // Intermatallics. – 2000. – Vol. 8.
Information about the project
Surname Name
Kasatkin Denis
Project title
Methodology development of receipt of dispersion nuclear fuel by SHS
Summary of the project
Obtaining a matrix material for the dispersion nuclear fuel was considered in this paper. The dispersion fuel, despite its safety and the prospect is not used at the moment none of the power reactors because of the manufacturing complexity and high cost of manufacturing. If the process of production and the price of this fuel to make optimal, this fuel can successfully replace the existing, which does not provide the necessary power and safety. Studies have been conducted to obtain intermetallic compounds. Synthesizing temperature, phase composition and neutron-physical characteristics of the sample were studied.
Keywords
SHS, dispersion nuclear fuel, matrix, intermetallic compounds