Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ТАБЛЕТКА ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА С ПОКРЫТИЕМ (ЕЕ ВАРИАНТЫ), СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
ТАБЛЕТКА ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА С ПОКРЫТИЕМ (ЕЕ ВАРИАНТЫ), СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА

ТАБЛЕТКА ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА С ПОКРЫТИЕМ (ЕЕ ВАРИАНТЫ), СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к ядерной технологии и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Техническим результатом является повышение равномерности покрытия и надежности его сцепления с топливным материалом. Для этого в таблетке ядерного топлива с многослойным покрытием на цилиндрической поверхности, включающем металлический слой, последний содержит дополнительную оксидную пленку, изготовленную из диска циркония, размещенную непосредственно на поверхности топливного материала таблетки. Способ предполагает, что таблетки изготавливают с осевым цилиндрическим отверстием или с двумя глухими осевыми отверстиями. Нанесение покрытия осуществляют при размещении таблеток с помощью осевых отверстий в вертикальных гирляндах, вращающихся в вакуумной камере и вокруг собственной оси, совпадающей с осью размещенных в них таблеток. Установка для осуществления способа включает вакуумную камеру, в которой размещены катоды в виде пластин, выполненных из материалов наносимых покрытий и аноды. Вращающееся устройство размещено с возможностью вращения вокруг его вертикальной оси, каждая кассета выполнена в виде подвески для фиксации и центровки единичного столба таблеток, которая размещена во вращающемся устройстве вертикально с возможностью вращения вокруг собственной оси и снабжена механизмом для обеспечения этого вращения. 4 с.п. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2131626
Класс(ы) патента: G21C3/00, G21C3/20, G21C3/326, G21C7/04
Номер заявки: 96117361/25
Дата подачи заявки: 27.08.1996
Дата публикации: 10.06.1999
Заявитель(и): Государственный научный центр Российской Федерации "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад.А.А.Бочвара"
Автор(ы): Митин В.С.; Бибилашвили Ю.К.; Краснобаев Н.Н.; Петрухин А.П.; Афонин М.М.
Патентообладатель(и): Государственный научный центр Российской Федерации "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад.А.А.Бочвара"
Описание изобретения: Изобретение относится к ядерной технологии и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.
Для удлинения цикла между перегрузками топлива и повышения экономических показателей современных энергетических ядерных реакторов необходимо размещение в активной зоне дополнительного количества делящегося материала, а также введение выгорающих поглотителей нейтронов для компенсации начальной реактивности, выравнивания мощности по объему зоны и поддержания температурного коэффициента реактивности на заданном уровне.
Известно введение в активную зону материала, содержащего выгорающий поглотитель, например 10B, в форме таблеток, размещенных в циркониевых оболочках [1].
Недостатком такого решения является снижение эффективности использования делящегося материала и объема активной зоны реактора и увеличение количества твердых радиоактивных отходов, требующих специальных условий переработки, транспортировки и хранения.
Известно введение выгорающего поглотителя, например, изотопов гадолиния, непосредственно в таблетку ядерного топлива [2]. Способ изготовления такой таблетки предусматривает операцию получения гомогенной смеси из порошков оксида гадолиния и оксида урана.
Достоинством этого решения является возможность совмещения функций энерговыделения и поглощения избыточных нейтронов в едином конструктивном элементе - твэле, что позволяет упростить конструкцию тепловыделяющей сборки, повысить выгорание ядерного топлива и существенно уменьшить затраты на переработку радиоактивных отходов.
Недостатком решения является необходимость снижения содержания делящегося материала в таблетках ядерного топлива из-за более низкой теплопроводности и температуры плавления спеченной смеси оксидов урана и гадолиния. Кроме того, при использовании этого решения сложно провести расчет и оптимизацию ядерно-физических параметров активной зоны реактора из-за трудностей точного учета особенностей выгорания гадолиния в объеме таблетки и трансформации семи его изотопов в процессе выгорания.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является технология получения ядерного топлива с поглотителем из диборида циркония, описанная в патенте США [3] . Таблетки, полученные в соответствии с этой технологией, имеют на своей цилиндрической поверхности тонкий слой борсодержащего выгорающего поглотителя нейтронов, выполненного, например, из диборида циркония. Для улучшения сцепления диборида циркония с таблеткой в соответствии с этим изобретением на поверхности таблетки может быть нанесен подслой из ниобия или циркония, а также защитный слой из металла (ниобия или циркония) поверх пленки выгорающего поглотителя.
Для нанесения пленок выгорающего поглотителя и подстилающего и защитного слоев в этой технологии предложено использовать метод катодного напыления (в частности, способ магнетронного напыления), который включает операции подготовки таблеток, размещение таблеток в сетчатых кассетах вращающегося барабана, нанесения на таблетки в вакуумной камере подстилающего слоя, слоя выгорающего поглотителя и защитного слоев.
Установка для изготовления таблеток по этой технологии состоит из вакуумной камеры, в которой размещены аноды в виде блоков из диборида циркония, катоды, а также вращающийся барабан со специальными сетчатыми кассетами для размещения рядов таблеток ядерного топлива. Для удобства загрузки таблеток и введения барабана в вакуумную камеру, барабан размещен на тележке, которая передвигается по направляющим рамы. Установка снабжена системой для создания небольшого наклона оси вакуумной камеры с целью исключения напыления материалов на их торцовую часть путем формирования рядов из таблеток, прижимающихся друг к другу по торцам под действием силы тяжести.
Топливо, полученное по этой технологии, позволяет повысить выгорание делящегося материала, равномерность осевого и радиального распределения мощности активной зоны и существенно снизить стоимость топливного цикла.
Недостатком этой технологии изготовления ядерного топлива является сложность получения равномерного покрытия на цилиндрической поверхности таблеток из-за экранирующего взаимодействия при напылении материалов слоев покрытий соседних рядов таблеток между собой, а также рядов таблеток и сетчатых стенок кассет.
Сущность изобретения заключается в повышении качества таблеток ядерного топлива за счет повышения равномерности покрытия и надежности его сцепления с топливным материалом при его использовании в активной зоне атомного реактора, а также в создании способа и установки для получения такой таблетки.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной таблетке ядерного топлива с многослойным покрытием на цилиндрической поверхности (включающим подстилающий металлический слой, слой выгорающего поглотителя нейтронов, содержащего бор, и защитный слой из металла) подстилающий слой содержит дополнительную оксидную пленку, изготовленную из оксида циркония, размещенную непосредственно на поверхности топливного материала таблетки.
По частному варианту этой конструкции таблетки (см. фиг. 1) топливный материал (1) выполнен из диоксида урана, оксидная пленка (2) выполнена из оксида циркония с высокой концентрацией кислородных вакансий при значении кислородного коэффициента от 0,33 до 1,20 и толщине от 0,1 до 0,5 мкм, нанесенный на пленку слой (3) выполнен из циркония или сплава циркония с ниобием толщиной от 1 до 2 мкм, поглощающий слой (4) - из диборида циркония толщиной от 5 до 10 мкм, а защитный слой (5) - из сплава циркония с ниобием толщиной от 2 до 3 мкм.
По другому частному варианту выполнения таблетки (см. фиг. 2 и фиг. 3) оксидная пленка (2) выполнена из оксида циркония с высокой концентрацией кислородных вакансий при значении кислородного коэффициента от 0,33 до 1,20 и толщине от 0,1 до 0,5 мкм, а затем размещены несколько пар чередующихся слоев (3, 5 и 7) циркония толщиной от 0,1 до 0,5 мкм и диборида циркония (4, 6 и 8) толщиной от 1 до 2 мкм и защитный слой (9) из циркония или сплава циркония с ниобием толщиной от 2 до 3 мкм. Указанный технический результат достигается также тем, что в известной таблетке ядерного топлива с многослойным покрытием на цилиндрической поверхности (включающим подстилающий металлический слой, слой выгорающего поглотителя нейтронов, содержащего бор, и защитный слой из металла) слой выгорающего поглотителя выполнен в виде нескольких пар пленок из металла толщиной от 0,1 до 0,5 мкм и выгорающего поглотителя толщиной от 1 до 2 мкм.
По частотному варианту этой конструкции таблетки (см. фиг. 4) топливный материал выполнен из диоксида урана (1), подстилающий слой (2) - из титана толщиной от 0,5 до 1,5 мкм, слой (3) выгорающего поглотителя - из пленок титана и диборида титана, а защитный слой (4) - из сплава на основе циркония.
По другому частному варианту этой конструкции во всех металлических покрытиях вместо титана использован цирконий или сплавы на его основе.
Указанный технический результат достигается также тем, что в известном способе изготовления таблетирования ядерного топлива с выгорающим поглотителем (включающего изготовление содержащей делящийся материал таблетки, подготовку поверхности таблеток, размещение таблеток в кассетах вращающегося устройства, помещение вращающего устройства с таблетками в вакуумную камеру и нанесения на цилиндрическую поверхность таблетки многослойного покрытия методом катодного напыления) таблетки изготавливают с осевым цилиндрическим отверстием или с двумя глухими осевыми отверстиями, нанесение покрытия осуществляют при размещении таблеток с помощью осевых отверстий в вертикальных гирляндах, вращающихся в вакуумной камере и вокруг собственной оси, совпадающей с осью размещенных в них таблеток.
В частном варианте осуществления способа частота вращения гирлянд в вакуумной камере составляет от 2 до 6 оборотов в минуту, а частота вращения гирлянды вокруг собственной оси - от 20 до 60 оборотов в минуту.
Указанный технический результат достигается также тем, что в известной установке для осуществления катодного напыления покрытий на цилиндрическую поверхность топливных таблеток (включающей вакуумную камеру, в которой размещены катоды в виде пластин, выполненных из материалов наносимых покрытий, аноды, вращающееся устройство с закрепленными на нем кассетами для размещения таблеток ядерного топлива функциональные системы энергопитания, охлаждения, вакуумирования и подвода рабочего газа) вращающееся устройство размещено с возможностью вращения вокруг его вертикальной оси, каждая кассета выполнена в виде подвески для фиксации и центровки единичного столба таблеток, которая размещена во вращающемся устройстве вертикально с возможностью вращения вокруг собственной оси и снабжена механизмом для обеспечения этого вращения.
Указанный технический результат достигается также тем, что подвеска выполнена в виде стержня с концевыми устройствами для размещения в барабане, причем диаметр стержня составляет от 0,9 до 0.95 диаметра осевого отверстия топливных таблеток.
В другом частном варианте выполнения установки каждая подвеска выполнена в виде корзины, образованной несколькими стойками, скрепленными между собой концевыми устройствами для размещения в барабане, а также шайбами центрирующими и фиксирующими столб таблеток с глухими отверстиями.
Указанный технический результат достигается также тем, что механизм для обеспечения вращения подвесок выполнен в виде соединенных с подвесками роликов и тросика, пропущенного через ролики и закрепленного на стенках вакуумной камеры, тросик образует полную окружность, а его концы закреплены на стенках камеры с помощью упругих элементов, а также тем, что длина рабочая части магнетрона составляет от 2 до 3 длины окружности рабочей части ролика.
По другому частному варианту выполнения установки диаметр корзины составляет от 2 до 2,5 диаметра таблетки.
Изобретения иллюстрируются следующими фигурами.
На фиг. 1 приведен диаметральный разрез топливной таблетки (1) с осевым отверстием и многослойным покрытием, первый слой (2) которого выполнен из оксида циркония, второй (3) - из циркония или сплава на его основе, третий (4) - диборида циркония и четвертый (5) - из циркония или сплава на его основе.
На фиг. 2 приведен диаметральный разрез топливной таблетки (1) с двумя глухими отверстиями и многослойным покрытием. Первый слой (2) покрытия выполнен из оксида циркония, второй (3) - из циркония или сплава на его основе, третий (4) - из диборида циркония, четвертый (5) - из циркония или сплава на его основе, пятый (6) - из диборида циркония и шестой защитный слой (7) - из сплава циркония с ниобием.
На фиг. 3 приведен диаметральный разрез топливной таблетки (1) с осевым сквозным отверстием и многослойным покрытием, первый слой (2) которого выполнен из оксида циркония; третий, пятый и седьмой (4,6 и 8) - из диборида циркония; второй, четвертый, шестой и восьмой (3, 5, 7 и 9) - из циркония или сплава на его основе.
На фиг. 4 приведен диаметральный разрез топливной таблетки (1) с осевым сквозным отверстием и многослойным покрытием, первый слой (2) которого выполнен из титана толщиной от 0,5 до 1,5 мкм, слой (3) выгорающего поглотителя - из пленок титана и диборида титана, а защитный слой (4) - из сплава на основе диборида титана, а защитный слой (4) - из сплава на основе циркония.
На фиг. 5 приведен общий вид установки для нанесения покрытия. На фиг. 6 приведен поперечный разрез рабочей камеры установки. На фиг. 7 приведен поперечный разрез вращающего устройства для перемещения таблеток в рабочей камере.
На фиг. 8 приведен поперечный разрез гирлянды таблеток, которые сформированы с использованием сквозного осевого отверстия в таблетках.
На фиг. 9 приведен поперечный разрез гирлянды таблеток, которые сформированы с использованием двух глухих осевых отверстий по торцам таблеток.
Установка для нанесения покрытия (см. фиг. 5) состоит из вакуумной камеры (1), блока высоковакуумной откачки (2), блока подачи охлаждающей воды (3), источника питания нагревателя (4), источника питания магнетронов (5), блока подачи газов для нанесения покрытий (6).
Вакуумная камера установки (см. фиг. 6) состоит из корпуса (1), трех распылителей материала магнетронного типа (2, 3 и 4), вращающего устройства карусельного типа (5), кассет с таблетками (6), приводного механизма (7, 8 и 9), нагреватели (10).
Вращающее устройство (см. фиг. 7) состоит из верхнего и нижнего дисков (1 и 9), соединенными между собой стойками (12), приводного вала (13), подвесов для кассет, состоящих из корпуса (2), узла крепления (4), подшипника (7), вала (5) с крючком (6) и приводного ролика (3); приводного тросика (8), опоры для кассеты (10), узла крепления (11), опоры для кассет (14) к диску карусели.
Вертикальная гирлянда из таблеток с осевым отверстием (см. фиг. 8) устроена следующим образом. Центральный стержень (1) круглого или иного сечения закреплен в основании (2). на котором размещены таблетки (7), сверху ограниченные прижимом (6), свободно одетым на стержень (1). Стержень (1) закреплен винтом (4) во втулке (3), снабженной петлей (5).
Вертикальная гирлянда из таблеток с двумя глухими осевыми отверстиями (см. фиг. 9) устроена следующим образом. К основанию (1) с центрирующим стержнем (2) крепятся стойки (3), верхний диск (4) и узел подвески (5). На стойке (3) надеты дистанционирующие элементы (7), с выступами для фиксации и центровки таблеток.
Установка для нанесения покрытия работает следующим образом.
Сборку кассет с таблетками с осевым отверстием (7) (см. фиг. 8) осуществляют путем их нанизывания на центральный стержень (1) и фиксации таблеток на стержне с помощью втулки (3) и винта (4). При этом выбор диаметра стержня от 0,9 до 0,95 диаметра осевого отверстия топливных таблеток позволяет обеспечить легкость сборки кассет и надежную фиксацию и центровку таблеток в единичном столбе. Установку таблеток с глухими отверстиями (6) (см. фиг.) в кассету проводят путем размещения таблеток на основании (1) и их фиксации между собой и кассетой с помощью элементов (7).
Собранные кассеты загружают через рабочий люк вакуумной камеры во вращающее устройство путем размещения их нижней центрирующей части в гнездах (10), а петель на крючках (6).
После загрузки кассет в камеру закрывают рабочий люк и проводят вакуумирование рабочей камеры до необходимой степени разрежения с помощью блока высоковакуумной откачки (2) (см. фиг. 5). Включают механизм вращения приводного вала (13) (см. фиг. 7) и через приводной ролик (3) и тросик (8) вращение передается кассете с таблетками. Во время вращения карусели с кассетами по окружности в рабочей камере (см. фиг. 6), ролики (3) катятся по тросику, вращая каждую кассету с таблетками вокруг собственной оси.
При этом выбор диаметра рабочей части ролика, при котором длина рабочей зоны магнетрона составляет от 2 до 3 длин окружности рабочей части ролика, позволяет обеспечить максимальное пребывание единичного столба таблеток в зоне нанесения покрытия при совершении нескольких оборотов столба вокруг собственной оси. Кроме того это соотношение позволяет размесить максимальное количество кассет во вращающемся устройстве. Выбор диаметра корзины от 2 до 2,5 диаметра таблетки в случае использования кассеты для таблеток с глухими отверстиями (см. фиг. 9) позволяет полностью устранить в процессе перемещения кассеты во вращающем устройстве и при ее вращении вокруг собственной оси эффект экранирования таблеток стойками корзины от потока массы материала наносимого покрытия.
Включают систему охлаждения установки и нагреватель. После нагрева таблеток последовательно включают магнетроны (2), (3) и (4), подают рабочий газ и проводят последовательное нанесение слоев покрытия на таблетки. После завершения нанесения покрытия нагреватель отключают и проводят охлаждение кассет до комнатной температуры. Затем проводят разгрузку камеры и разборку кассет.
Конкретные примеры осуществления способа приведены ниже.
Пример 1. Получение таблеток с покрытием, изображенным на фиг. 1.
Таблетки из диоксида урана, используемые для изготовления твэлов реактора типа ВВЭР-1000, с наружным диаметром 7,55 мм и диаметром отверстия 1,5 мм, промывают в обезжиривающим растворе (трихлоэтилене) и сушат при комнатной температуре. Высушенные таблетки собирают в кассеты в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 9, при этом таблетки нанизывают на стержень диаметром 1,4 мм. Кассеты загружают в рабочую камеру установки для нанесения покрытий в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 7. Камеру установки вакуумируют до остаточного давления 10-3 - 1004 Па, включают привод вращения барабана и нагреватель. Частоту вращения барабана устанавливают 4 оборота в минуту, частоту вращения кассеты вокруг собственной оси - 40 оборотов в минуту. Проводят нагрев таблеток до температуры 350-400oC в течение 45 минут. В рабочую камеру подают аргон и углекислый газ, давление аргона задают в пределах от 2·10-1 до 3·10-1 Па, а углекислого газа - от 5·10-1 до 8·10-1 Па. Включают магнетрон с катодом из циркония и размером рабочей части мишени, равной 700х100 мм, и ширине рабочей зоны магнетрона, равной 150 мм, проводят распыление циркония при плотности тока разряда в пределах от 120 до 150 mA/см2 и напыляют слой из оксида циркония толщиной 0,3 мкм. После завершения напыления оксидного слоя прекращают подачу углекислого газа, выключают магнетрон из циркония и включают магнетрон из диборида циркония. Распыление диборида циркония ведут в атмосфере аргона при его давлении от 2·10-1 до 3·10-1 Па при плотности тока распыления от 80 до 120 mA/см2 и наносят слой покрытия толщиной 8 мкм, отключают магнетрон из диборида циркония и включают магнетрон из сплава циркония с ниобием, распыление которого ведут в атмосфере аргона при его давлении от 2·10-1 до 3·10-1 Па при токе разряда от 180 до 250 mA/см2. Наносят защитный слой толщиной 2-3 мкм. Отключают магнетрон, нагреватель и подачу газа, таблетки охлаждают в вакууме до температуры 30-40oC, кассеты выгружают из камеры и разбирают.
Проводят контроль качества таблеток и определения их следующих параметров: толщины покрытия каждого слоя методом обратного рассеивания, кислородного коэффициента оксидного слоя методом электронной спектроскопии и качества сцепления слоев между собою и с топливом методом отрыва липкой ленты и методом отрыва приклеенного штифта. (Штифт из стали диаметром 2 мм и длиной 10 мм приклеивают к покрытию на таблетке высококачественным клеем по металлу и затем отрывают от покрытия с помощью разрывной машины при нормальном приложении нагрузки). Контроль качества сцепления слоев покрытия проводили на исходных таблетках, а также после проведения операции их термоциклирования, при котором таблетки подвергались термической обработке в виде 10 теплосмен за 6 часов с нагревом в каждой теплосмене от 20oC до 600oC.
Результаты измерения характеристик таблеток приведены в таблице.
Пример 2. Получение таблеток с покрытием, изображенным на фиг. 2. Для нанесения покрытия используют таблетки с наружным диаметром 7,55 мм и глухим осевым отверстием глубиной 2 мм и диаметром 2 мм. Проводят подготовку таблеток к напылению в соответствии с примером 1. Проводят сборку таблеток в кассеты по схеме, приведенной на фиг. 9. Проводят нанесение оксидного слоя (2) и нанесение слоя (3) из циркония толщиной от 0,1 до 0,5 мкм проводится в соответствии с технологией, описанной в примере 1. Нанесение слоя (4) из диборида циркония проводится следующим образом. Магнетрон с циркониевым катодом не отключают, но снижают ток его разряда до 50-70 mA/см2, а затем одновременно включают магнетрон из диборида циркония и проводят напыление слоя диборида циркония толщиной от 0,8 до 1,0 мкм при токе разряда в пределах от 120 до 150 mA/см2 и давления аргона в пределах от 2·10-1 до 3·10-1 Па. Затем ток разряда магнетрона из диборида циркония уменьшают до 50-70 mA/см2, ток разряда магнетрона из циркония увеличивают до 120-150 mA/см2 и проводят нанесения слоя из циркония. Процедуры нанесения слоев повторяют до достижения суммарной толщины слоев из диборида циркония от 5 до 10 мкм.
Проводят контроль качества таблеток и определения их параметров так же, как в примере 1. Результаты измерения характеристик таблеток приведены в таблице (см. в конце описания).
Пример 3. Получение таблеток с покрытием, изображенным на фиг. 3.
Для нанесения покрытия используют таблетки с наружным диаметром 7,55 мм и сквозным осевым отверстием диаметром 1,5 мм. Проводят подготовку таблеток к напылению в соответствии с примером 1. Проводят сборку таблеток в кассеты по схеме, приведенной на фиг. 8. Проводят напыление слоев как в примере 2.
Проводят контроль качества таблеток и определения их параметров так же, как в примере 1. Результаты измерения характеристик таблеток показали, что они не отличались от приведенных в таблице для таблеток, полученных в примере 2.
Пример 4. Получение таблеток с покрытием, изображенным на фиг. 4.
Для нанесения покрытия используют таблетки, используемые в примере 1. Проводят подготовку таблеток к напылению в соответствии с примером 1. Проводят сборку таблеток в кассеты по схеме, приведенной на фиг. 8. Проводят напыление слоя (2) из титана толщиной 0,5 - 1,5 мкм при давлении аргона от 2·10-1 до 3·10-1 Па и плотности тока разряда 120-150 mA/см2. Затем магнетрон с титановым катодом выключают, включают магнетрон с катодом из диборида титана и наносят слой из диборида титана толщиной 5-10 мкм при плотности тока разряда от 80 до 120 mA/см2 и том же давлении аргона. Затем наносят защитный слой в соответствии с режимами, приведенными в примере 1.
Проводят контроль качества таблеток и определения их параметров так же, как в примере 1. Результаты измерения характеристик таблеток приведены в таблице.
Данные таблицы показывают, что нанесение на топливный материал таблетки подстилающего слоя, состоящего из оксидной пленки, например, оксида циркония, с высокой концентрацией кислородных вакансий при значении кислородного коэффициента от 0,33 до 1,2 и толщине от 0,1 до 0,5 мкм, из слоя циркония или сплава циркония с ниобием толщиной от 1 до 2 мкм, поглощающего слоя, выполненного из диборида циркония толщиной от 5 до 10 мкм, а защитный слой - из сплава циркония с ниобием толщиной от 2 до 3 мкм позволяет существенно повысить прочность соединения покрытия с материалом топливной таблетки, которое устойчиво в самых сложных условиях эксплуатации и изменениях термомеханического состояния топлива (см. таблицу пример 1).
Использование предлагаемого способа и устройства позволяет обеспечить высокую равномерность толщины покрытия на цилиндрическую поверхность, которая на порядок выше, чем может быть достигнута по известным технологиям.
Высокая универсальность предложенной технологии подтверждается тем, что высокие параметры покрытий достигаются также при использовании и других многослойных покрытий (см. таблицу примеры 2-5). По мнению авторов, полученный эффект может быть объяснен достижением высоких параметров адгезивного взаимодействия предложенного оксидного подстилающего слоя с материалом топливной таблетки. При использовании для покрытия нестехиометрического оксида циркония реализуется более сильное хемосорбционное взаимодействие между атомами подстилающего слоя и диоксида урана, которое особенно сильно проявляется при циклическом изменении температуры в процессе эксплуатации ядерного топлива.
Отличительные признаки предлагаемого способа нанесения покрытия и установки для его осуществления позволяют не только существенно повысить прочность сцепления покрытия с топливным материалом, но и достичь высокой степени равномерности покрытия (см. данные таблицы), как для таблеток с осевым сквозным отверстием, так и для таблеток с глухими отверстиями. Требуемые параметры равномерности достигаются и при самых сложных характеристиках покрытий, что показывает высокую универсальность предложенной технологии и перспективность ее использования для изготовления топливных сборок, обеспечивающих высокое выгорание ядерного топлива в активных зонах ядерных энергетических реакторов.
Данные таблицы также показывают, что применение многослойной конструкции покрытия существенно повышают механические свойства диборида циркония (см. примеры 2 и 3). Промежуточные слои из металла являются пластичными прокладками между слоями хрупкого диборида циркония. За счет этого снижается уровень внутренних напряжений и повышается термостойкость при теплосменах.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет существенно повысить комплекс наиболее важных параметров покрытия на таблетках ядерного топлива.
Источники информации
1. Патент США N 4522744, публ. 1985 г.
2 Bailey W., Crowther R. - Trans. ANS, v. 50, p. 552.
3. Патент США N 4560462, опубл. 1985 г.
4. Orr W., Mc Clintock D. Westinghous intrоdauces new fuel for PWRs and BWRs. - Nucl. Enging. Intern., 1985, v. 30, N 374, p. 53-55.
Формула изобретения: 1. Таблетка ядерного топлива с многослойным покрытием на цилиндрической поверхности, включающая подстилающий металлический слой, слой выгорающего поглотителя нейтронов, содержащего бор, и защитный слой из металла, отличающаяся тем, что подстилающий слой содержит дополнительную оксидную пленку, состоящую из оксида циркония, размещенную непосредственно на поверхности топливного материала таблетки.
2. Таблетка по п.1, отличающаяся тем, что топливный материал выполнен из диоксида урана, оксидная пленка выполнена из оксида циркония с высокой концентрацией кислородных вакансий при значении кислородного коэффициента от 0,33 до 1,2 и толщине от 0,1 до 0,5 мкм, нанесенный на пленку слой выполнен из циркония или сплава циркония с ниобием толщиной от 1 до 2 мкм, поглощающий слой - из диборида циркония толщиной от 5 до 10 мкм, а защитный слой - из сплава циркония с ниобием толщиной от 2 до 3 мкм.
3. Таблетка по п.1, отличающаяся тем, что оксидная пленка выполнена из оксида циркония с высокой концентрацией кислородных вакансий при значении кислородного коэффициента от 0,33 до 1,2 и толщине от 0,1 до 0,5 мкм, а затем размещены несколько пар чередующихся слоев циркония толщиной от 0,1 до 0,5 мкм и диборида циркония толщиной от 1 до 2 мкм и защитный слой на основе циркония толщиной от 2 до 3 мкм.
4. Таблетка ядерного топлива с многослойным покрытием на цилиндрической поверхности, включающая подстилающий металлический слой, слой выгорающего поглотителя нейтронов, содержащего бор, и защитный слой из металла, отличающаяся тем, что слой выгорающего поглотителя выполнен в виде нескольких пар пленок из металла толщиной от 0,1 до 0,5 мкм и выгорающего поглотителя толщиной от 0,8 до 1 мкм.
5. Таблетка по п.4, отличающаяся тем, что топливный материал выполнен из диоксида урана, подстилающий слой - из титана толщиной от 0,5 до 1,5 мкм, слой выгорающего поглотителя - из пленок титана и диборида титана, а защитный слой - из сплава на основе циркония.
6. Таблетка по п.4, отличающаяся тем, что топливный материал выполнен из диоксида урана, подстилающий слой - из циркония толщиной от 0,5 до 1,5 мкм, слой выгорающего поглотителя - из пленок циркония и диборида циркония, а защитный слой - из сплава циркония с ниобием.
7. Способ изготовления таблетированного ядерного топлива с выгорающим поглотителем с использованием метода катодного напыления, включающий изготовление содержащей делящийся материал таблетки, подготовку поверхности таблеток, размещение таблеток в кассетах вращающегося устройства, помещение вращающего устройства с таблетками в вакуумную камеру и нанесения на цилиндрическую поверхность таблетки многослойного покрытия, отличающийся тем, что таблетки изготавливают со сквозным осевым отверстием или с двумя глухими осевыми отверстиями, а нанесение покрытия осуществляют при размещении таблеток с помощью осевых отверстий в виде отдельных вертикальных столбов, вращающихся в вакуумной камере и вокруг собственной оси, совпадающей с осью размещенных в них таблеток.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что частота вращения столбов таблеток в вакуумной камере составляет от 2 до 6 оборотов/мин, а частота вращения столбов вокруг собственной оси - от 24 до 250 оборотов/мин.
9. Установка для осуществления катодного напыления покрытий на цилиндрическую поверхность топливных таблеток, включающая вакуумную камеру, в которой размещены катоды, выполненные из материалов наносимых покрытий, аноды и нагреватели, а также вращающее устройство с закрепленными на нем кассетами для размещения таблеток ядерного топлива, функциональные системы энергопитания, охлаждения, вакуумирования и подвода рабочего газа, отличающаяся тем, что вращающее устройство размещено с возможностью вращения вокруг его вертикальной оси, каждая кассета выполнена в виде подвески для фиксации и центровки единичного столба таблеток, которая размещена во вращающем устройстве вертикально с возможностью вращения вокруг собственной оси и снабжена механизмом для обеспечения этого вращения.
10. Установка по п.9, отличающаяся тем, что подвеска выполнена в виде стержня с концевыми устройствами для размещения во вращающем устройстве, причем диаметр стержня или диаметр описанной вокруг его поперечного сечения окружности составляет от 0,9 до 0,95 диаметра осевого отверстия топливных таблеток.
11. Установка по п.9, отличающаяся тем, что каждая подвеска выполнена в виде корзины, образованной несколькими стойками, скрепленными между собой концевыми устройствами для размещения во вращающем устройстве, а также шайбами, центрирующими и фиксирующими столб таблеток с глухими отверстиями.
12. Установка по пп.9 - 11, отличающаяся тем, что механизм для обеспечения вращения подвесок выполнен в виде соединенных с подвесками роликов и тросика, пропущенного через ролики и закрепленного на стенках вакуумной камеры.
13. Установка по п. 12, отличающаяся тем, что тросик образует полную окружность, а его концы закреплены на стенках камеры с помощью упругих элементов.
14. Установка по п.12, отличающаяся тем, что диаметр рабочей части ролика составляет от 2,4 до 2,8 длины рабочей зоны магнетрона.
15. Установка по п.11, отличающаяся тем, что диаметр корзины составляет от 2 до 2,5 диаметров таблетки.