Неорганические материалы, 2022, T. 58, № 6, стр. 606-614

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, согласно концепции Generation IV, основой ядерной энергетики будущего станут шесть реакторов. Особый интерес представляют быстрый газовый реактор (Gas-Cooled fast reactor) и высокотемпературный газовый реактор (Very-High Temperature reactor). В том или ином виде они представляют собой дальнейшее развитие газографитовых реакторов типа высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР) (США) и AVR (ФРГ). Эти реакторы представляют повышенный интерес как источник высокопотенциального тепла (до 1000°С) для металлургических и теплофизических производств. В отличие от водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР) и реактора на быстрых нейронах (БН) такие реакторы имеют несколько упрощенную тепловую схему и обладают повышенным КПД. Основой газографитовых реакторов является микротвэльное топливо, которое представляет собой гранулы диоксида (реже карбида) урана с нанесенными на них покрытиями из пироуглерода и карбида кремния. Покрытия призваны исключить выход продуктов деления в газовый теплоноситель. Топливные гранулы размещены в графитовой матрице, из которой затем изготавливают стержни (концепция ВТГР) или шары (концепция AVR). Несмотря на уникальные характеристики, такой вид топлива обладает и рядом серьезных недостатков, в частности, за счет наличия неделящейся матрицы приходится повышать обогащение топлива, технология изготовления гранул и покрытий на них достаточно сложна и полностью не исключает выход продуктов деления. При повышенных выгораниях наблюдается “амебный” эффект, когда топливные гранулы мигрируют к поверхности топливного элемента. Попытка ухода от микроТВЭЛов и использование ТВЭЛов с развитой поверхностью теплосъема не позволяют достичь необходимых высоких температур [1–5].

Для решения некоторых из обозначенных проблем высокотемпературных реакторов предложена концепция ухода от дисперсного топлива и применения в качестве ТВЭЛов тонких пластин. Очевидно, что применение металлов и сплавов невозможно из-за высокой температуры, поэтому принято решение использовать тонкие керамические пластины. Чтобы достигнуть высокой температуры теплоносителя, увеличив поверхность теплопередачи, было предложено создать из керамического топлива структуру, через которую свободно проходит газовый теплоноситель. Схема активной зоны приведена на рис. 1 и 2.

В качестве топливного материала предложено использование керамики на основе нитрида урана [6, 7]. Топливные элементы представляют собой тонкостенные сотовые керамические блоки, создать которые традиционными технологиями спекания порошков очень сложно, поэтому авторы использовали подход окислительного конструирования [8–13]. Нитридную керамику создавали нитридизацией твердых растворов урана в цирконии Zr〈U〉, где доля урана варьировалась в пределах 5–30 мас. %. Сплав прокатывали, гофрировали, изготавливали металлические заготовки, которые после диффузионного сваривания нитридизовали в атмосфере азота при высокой температуре. Керамика Zr_{1 –х}U_хN повторяла форму исходной металлической заготовки.

В основу концепции положен ВТГР с призматическими ТВЭЛами. ТВЭЛы представляют из себя полые шестигранные трубы с размером под “ключ” 200 мм, в которых размещены тепловыделяющие пластины. В качестве теплоносителя используется гелий, температура на входе 800–1000°С, на выходе – 1200–1500°С. Тепловая схема одноконтурная. Регулирование осуществляется стержнями из карбида бора или гафната диспрозия.

На рис. 3 приведен пример ТВС с пластинчатыми ТВЭЛами из твердого раствора Zr_{1 –х}U_хN с покрытием из ZrN.

В шестигранной ТВС расположены пластинчатые ТВЭЛы в количестве от 17 штук, толщина до 1.5 мм. Пластина ТВЭЛ представляет из себя сердечник из композиции Zr_{1 –х}U_хN и оболочку ZrN. Сердечник и оболочка изготовлены из сплавов Zr–U и Zr соответственно, между ними достигается плотный диффузионный контакт, после чего осуществляется азотирование. Возможна любая геометрия расположения пластин, теплосъем осуществляется гелием или водородом.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Нейтронно-физический расчет концептуального реактора. Проведены предварительные исследования нейтронно-физических характеристик для ТВЭЛов из топливной композиции Zr_1 – хU_хN с помощью программы расчета методом Монте-Карло MCU-PTR. При расчетах было решено уйти от простой пластинчатой геометрии и провести оценку более сложной структуры, которая представляет из себя композицию из плоской и гофрированной лент. Профиль гофрированной ленты имеет вид равносторонних треугольников. Геометрия ТВЭЛов изображена на рис. 4а. Оболочка ТВЭЛов не учитывалась.

В табл. 1 приведены характеристики топливных композиций.

Рассчитаны коэффициенты размножения нейтронов для бесконечной среды из вышеописанных ТВЭЛов (табл. 2). Расчет проведен для температуры 300 К.

Оценена чувствительность коэффициента размножения нейтронов в бесконечной среде k_inf к концентрациям Zr и N (Δk/k – относительное изменение коэффициента размножения). Коэффициент чувствительности k_inf к концентрации Zr составляет –8.19 × 10¹ (%Δk/k)/(ат./(барн см)). Коэффициент чувствительности k_inf к концентрации N составляет –2.16 × 10² (%Δk/k)/(ат./(барн см)). То есть при изменении концентрации Zr и N на 10% коэффициент k_inf изменится на 0.4%Δk/k и 1.0%Δk/k соответственно.

Для варианта Zr–10 мас. % U оценен коэффициент размножения для бесконечной в горизонтальной плоскости решетки ТВЭЛов при различной высоте активной зоны (без торцевых отражателей):

Следует отметить, что рассматриваемая система является практически гомогенной. Значение k_inf с объемными долями Zr_{1 –х}U_хN 0.429, водорода 0.571 отличается от гетерогенного варианта менее чем на 0.1%Δk/k; k_eff – эффективный коэффициент размножения нейтронов.

На основании результатов расчета установлено, что предложенная конструкция реактора позволяет достичь реактивности при указанных геометрических размерах активной зоны реактора. При использовании боковых и торцевых отражателей удается снизить размер активной зоны примерно в два раза.

Теплофизический расчет канала газового реактора. Теплофизический расчет канала предложенного в данной работе реактора осуществлялся для определения максимальной температуры топливной композиции в элементарной ячейке, максимальной температуры оболочки и расхода охлаждающего газа. Элементарная ячейка реактора представляет из себя периодическую треугольную структуру (рис. 4б), охлаждаемую газообразным гелием или водородом. Топливо Zr_{1 –х}U_хN заключено в оболочку из ZrN. Размеры активной зоны взяты с учетом использования отражателя и составляют 0.5 × 0.5 м.

Исходные данные для проведения расчета представлены в табл. 3.

Число каналов в активной зоне определяли через отношение площади активной зоны к площади одной ячейки

где а = 3 мм – шаг решетки.

Объемное энерговыделение в активной зоне определяли по формуле

Данное значение характерно для газоохлаждаемых реакторов.

Расход теплоносителя через активную зону рассчитывали по формуле

где c_газ – средняя удельная теплоемкость газа-теплоносителя в интервале температуры от t_вх до t_вых. Согласно (3), расход водорода через активную зону составил 13 г/с, гелия – 38 г/с.

Эффективная высота активной зоны представляет собой гипотетическую высоту, у которой на нижней и верхней границах тепловыделение в топливе обращается в ноль. Величину распределения энерговыделения по высоте определяли из уравнения

Эффективная высота активной зоны H_эф = = 0.458 м. Распределение энерговыделения описывается тригонометрической зависимостью. Для наиболее энергонапряженного (центрального) канала справедлива запись

Распределение температуры теплоносителя (газа) по высоте наиболее энергонапряженного канала описывается уравнением

Наибольшая температура теплоносителя достигается на выходе из центрального канала и составляет ∼1700°С для водорода и для гелия. Совпадение значений объясняется близостью теплофизических свойств данных газов при расчетных температурах и давлениях.

При расчете температурного режима ТВЭЛа принято допущение, что в поперечном сечении канала температура газа остается постоянной. Коэффициент теплоотдачи определяли с помощью выражения

где λ_газ – средняя теплопроводность газа, Re = = u₀d_газ/ν_газ – число Рейнольдса, u₀ – скорость протекания газа в канале, ν_газ – средняя кинематическая вязкость газа, d_гидр = 4S_прох/P_смоч – гидравлический диаметр газа, вычисляемый через отношение проходного сечения канала к его смоченному газом периметру.

По результатам вычислений коэффициент теплоотдачи составил 18.7 Вт/(м² К) для водорода и 19.5 Вт/(м² К) для гелия.

Максимальная температура топлива достигается на равном удалении от обеих поверхностей оболочки внутри ТВЭЛа. Оценим термические сопротивления стенки ТВЭЛа (8) и половины толщины топливной части (9):

Наибольшие перепады температуры в оболочке и топливе могут быть достигнуты в местах наибольшего теплового потока. Перепады температур в оболочке и топливе в центральном сечении канала:

пренебрежимо малы, и температура в центре топлива сопоставима с температурой теплоносителя. Таким образом, максимальная температура и топлива, и оболочки равна 1700°С. Результаты теплофизического расчета сведены в табл. 4.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для проверки заявленной концепции ухода от дисперсного топлива и применения в качестве ТВЭЛов тонкостенных керамических блоков из тугоплавкой керамики с развитой поверхностью теплосъема были изготовлены модельные фрагменты керамических блоков. Керамику получали нитридизацией твердых растворов урана в цирконии с разным содержанием урана (5 и 10 мас. %). Методику нитридизации изучали на имитаторах – цирконии и титане, а затем использовали при синтезе нитридов твердых растворов циркония с 5 и 10 мас. % урана.

Шихту из 5 мас. % гранул обедненного металлического урана и 95 мас. % йодидного циркония плавили в дуговой печи МИФИ 9.3 в слиток длиной 49 и диаметром 8 мм. Для приготовления сплава брали 18.479 г циркония и 0.977 г урана, масса слитка после плавки составляла 19.439 г, потеря массы – менее 0.09%. Образец травили в растворе 50 об. % азотной и 50 об. % плавиковой кислот для удаления оксидного слоя и отжигали в вакуумной печи сопротивления при температуре 1000°С в течение 1 ч. Плотность сплава Zr–5 мас. % U, измеренная пикнометрическим методом, составила 6.214 г/см³. Анализ микроструктуры проводили на растровом электронном микроскопе (РЭМ) JEOL 6610 LV. Морфология поверхности литого и отожженного слитков представлена на рис. 5.

Слиток помещали в алюминиевую фольгу для исключения окисления, нагревали в индукторе до температуры 800–900°С и проковывали в пластину толщиной около 3 мм. После ковки образец прокатывали до толщины 1.76 мм, отжигали в процессе нагрева до 900°С (выше температуры фазового перехода циркония) без изотермической выдержки. После этого образец снова прокатывали до толщины 1.02 мм.

Из РЭМ-изображений видно, что в ходе плавки удается сохранить заданный состав, содержание циркония варьируется от 95.5 до 95.6, а содержание урана – от 4.35 до 4.45 мас. %.

Микрорентгеноспектральным анализом установлено равномерное распределение циркония и урана. Это связано с особенностями кристаллизации данного твердого раствора, который представляет собой перитектику, состоящую из матрицы чистого циркония и δ-фазы. Особенностью перитектики является равномерное распределение элементов в объеме материала.

На рис. 5б представлено РЭМ-изображение поверхности прокатанного твердого раствора. Элементным анализом установлено, что в ходе плавки содержание урана снижается от 4.35 до 3.58 мас. %.

Нитридизацию твердого раствора Zr–U проводили в атмосфере азота при температуре 1800°С. Морфология поверхности керамики представлена на рис. 5в. По результатам анализа установлено, что концентрация урана на поверхности образца несколько снижается и составляет около 1.6–3.0 мас. %. Снижение концентрации урана в приповерхностных областях можно объяснить его частичным испарением с поверхности за счет высокой упругости насыщенного пара при температуре нитридизации и одновременной миграцией урана в центр образца при образовании нитрида циркония.

Для исследования нитридизации твердых растворов на основе Zr изготавливали фольгу, содержащую 10 и 20 мас. % U. После плавки шихты в дуговой печи слиток проковывали и прокатывали в пластины толщиной 0.3–1.0 мм. Затем пластины сплава с двух сторон покрывали циркониевой фольгой толщиной 0.1 мм и прокатывали пакет, обеспечивая плотное диффузионное сцепление между цирконием и сплавом Zr〈U〉. Далее пластины гофрировали, собирали в форму ТВЭЛа, проводили диффузионное сваривание в вакуумной печи при температуре 0.85t_пл и азотировали при 1700°С в атмосфере азота до образования твердого раствора Zr_1–хU_хN. Цирконий из покрытия образует нитрид ZrN, одновременно являющийся оболочкой. После азотирования пакет сохраняет первоначальную геометрию с развитой поверхностью. Фрагменты керамики представлены на рис. 6.

Для оценки состояния керамических блоков изучено качество сварных швов в местах контакта гофры с лентой. С учетом малого количества Zr_1–хU_хN исследование проводили на нитриде титана TiN. Точки контакта элементов керамического блока изображены на рис. 7. Видно, что критической зоной блока является участок диффузионной сварки. Так, в месте соединения пластин наблюдается только точечный контакт.

На поверхности поперечного среза различаются три слоя. Морфологические особенности поверхности связаны с образованием металлокерамического композита: наружный слой – стехиометрический нитрид титана, средний слой – нестехиометрический нитрид и в центре – твердый раствор азота в титане. Образование металлокерамического композита указывает на незавершенность процесса нитридизации.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для подтверждения концепции замены дисперсного топлива в ТВЭЛах на тонкостенное керамическое топливо были изготовлены модельные керамические пластины и фрагменты блоков. Керамику получали нитридизацией твердых растворов урана в цирконии с разным содержанием урана (5 и 10 мас. %) до образования Zr_1 – хU_хN. Установлено, что во время плавки слитка и нитридизации проката твердого раствора происходит незначительное испарение урана. В ходе высокотемпературного азотирования твердых растворов образуется керамика состава Zr_1 – хU_хN, в которой уран сосредоточен в центральной области образца. Концентрация урана в центральной области происходит во время формирования нитрида циркония.

Исследование морфологии поперечных срезов керамических имитаторов на основе нитридов ZrN и TiN показало, что основные дефекты материала сосредоточены в местах сварки и сгибов гофры. Низкая прочность сварного шва между структурными элементами керамического блока связана с не до конца отработанными режимами диффузионной сварки металла и незавершенностью процесса нитридизации. Для устранения дефектов необходим вакуумный отжиг заготовок для снятия напряжений с зоны сварных швов и сгибов.

Нейтронно-физическими расчетами показана возможность достижения критической массы в активной зоне, состоящей из пластин Zr_1 – хU_хN. При этом расчет проводили при содержании урана в композиции 10 и 20 мас. %. Консервативный расчет, не учитывающий наличие отражателя, показывает возможность достижения K_eff = 1.15–1.25. Возрастание коэффициента связано с увеличением размеров активной зоны вплоть до 2 м. Оценка массы урана в активной зоне дает величину в пределах 400 кг, а масса самой активной зоны, без учета отражателя и стержней СУЗ, может достигать 4000 кг. Оценки показывают, что использование отражателя позволяет снизить размер активной зоны до значений менее 1 м, что соответствует размерам активных зон реакторов БН. Можно отметить некоторую неопределенность в функциональном назначении реактора, поскольку размеры активной зоны не позволяют использовать его в качестве транспортного реактора. Наличие азота в топливе в целом смещает спектр нейтронов в быструю область. Для более адекватной оценки необходимы дальнейшие расчеты.

Теплофизический расчет показал возможность получения температуры теплоносителя на выходе из активной зоны в пределах 1500°С. Расчеты были проведены для активной зоны размером 50 × 50 см, объемное энерговыделение которой составляет 3.58 × 10⁶ Вт/м³. Увеличение размеров активной зоны до 1 м снижает объемное энерговыделение и температуру теплоносителя на выходе, однако она остается в пределах 1200°С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нитридизацией твердых растворов урана в цирконии синтезированы нитриды твердых растворов Zr_{1 –х}U_хN. Керамика характеризуется повышенным содержанием урана в центре образца.

Представлена концепция газоохлаждаемого реактора с новым видом топлива на основе Zr_{1 –х}U_хN, синтезированного высокотемпературным насыщением в атмосфере азота металлических заготовок из твердых растворов урана в цирконии. Подтверждена возможность создания керамических изделий на основе нитридов твердых растворов урана в цирконии сложной формы с развитой поверхностью.

На основании нейтронно-физического расчета активной зоны показана возможность достижения критической массы при содержании урана 10 и 20 мас. %. Определены примерные габариты активной зоны концептуального реактора, которые находятся в пределах 1–2 м.

Проведен теплофизический расчет активной зоны реактора, показана возможность достижения на выходе температуры порядка 1200–1500°С при сохранении допустимого значения объемного энерговыделения.