Способ изготовления керамического материала для устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора

Способ изготовления керамического материала для устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технологии керамических материалов для атомной энергетики, предназначенных для снижения энтальпии, восстановительного потенциала и плотности кориума в случае внекорпусной аварии ядерных реакторов типа ВВЭР и размещаемых с этой целью в устройстве локализации расплава. При тяжелой аварии ядерного реактора с потерей теплоносителя в результате неконтролируемого разогрева топливных элементов образуется расплав (кориум) за счет плавления и разрушения топливных сборок и внутрикорпусных устройств ядерного реактора. Кориум в качестве основных составляющих содержит оксиды урана и циркония в оксидной фазе, а также уран, цирконий и элементы металлических конструкций в металлической фазе бассейна расплава [Асмолов В.Г. Концепция управления тяжелыми авариями на АЭС с ВВЭР. «Вопросы безопасности АЭС с ВВЭР. Исследование процесса при запроектных авариях с разрушением активной зоны». Тр.науч.пр. семинара, СПб, 12-14 сентября 2000 г. СПб.: Изд. АЭП, 2000, с.1-22]. После разрушения корпуса реактора расплавленный кориум поступает в устройство локализации расплава, которое должно обеспечить его захолаживание и удержание на неограниченно долгое время без серьезных повреждений конструкций контейнмента и экологических последствий для окружающей среды.

Уровень техники

Кориум, по расчетам, имеет высокую температуру - до 3000 К и высокую химическую активность. Имеются две принципиально различные концепции для решения этой проблемы. По первой концепции [Fischer М. Main Features of the EPR Melt Retention Concept, OECD Wockshop on Ex-Vessel Debris Coolability. Karlsruhe, Germany, 15-18 November, 1999, 10 p.] расплав из корпуса вытекает в накопитель, где теряет часть тепла на плавление жертвенных материалов, в качестве которых используются бораты лития, натрия, калия; оксиды магния, кальция, стронция и бария; фосфаты или карбонаты этих же элементов [Патент США 4,121,970].

По второй концепции [Асмолов В.Г., Безлепкин В.В., Кухтевич И.В., и др. Концепция локализации расплава кориума при внекорпусной стадии запроектной аварии АЭС с ВВЭР-1000. «Вопросы безопасности АЭС с ВВЭР. Исследование процесса при запроектных авариях с разрушением активной зоны». Тр. науч.пр. семинара, СПб, 12-14 сентября 2000 г.СПб.: Изд. АЭП, 2000, с.23-36] при аварии расплав и фрагменты конструкции реактора попадают через направляющую воронку в устройство локализации расплава, где за счет взаимодействия с жертвенным материалом происходит окисление металлических компонентов кориума, снижение плотности расплава, снижение энтальпии расплава до уровня, при котором к моменту выхода расплава к водоохлаждаемым стенкам устройства локализации расплава не происходит кризиса теплообмена. Конструкция такого устройства локализации расплава (УЛР) запатентована [Патент РФ 2165106].

Предлагаемое изобретение относится к области технологии неметаллических (оксидных) материалов, обозначаемых в настоящее время термином - жертвенные материалы, предназначенных для обеспечения локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых ядерных реакторов при запроектной аварии. Одним из видов жертвенных материалов являются керамические жертвенные материалы, размещаемые внутри цилиндрической емкости устройства локализации расплава. В случае запроектной аварии такие керамические материалы должны работать при высоких температурах в контакте с кориумом, взаимодействовать с последним, изменяя его плотность, энтальпию и восстановительный потенциал.

К жертвенным материалам керамического типа для устройства локализации расплава предъявляется ряд требований:

1. Жертвенный материал, находящийся непосредственно в УЛР, должен при любом вероятном сценарии аварии:

- снижать энтальпию кориума;

- образовывать неограниченные растворы с расплавом оксидной фазы кориума;

- окислять наиболее агрессивные компоненты кориума - металлические уран и цирконий без образования газообразных продуктов реакций;

- температура солидуса многокомпонентного оксидного расплава, образовавшегося после взаимодействия кориума с жертвенным материалом, должна быть минимальной.

2. Плотность жертвенных неметаллических материалов должна обеспечить уменьшение плотности образующегося оксидного расплава до значений, меньших плотности расплавленной стали.

3. При соблюдении вышеперечисленных требований жертвенный материал должен иметь также достаточную прочность на сжатие (не менее 20 МПа) для обеспечения механической надежности конструкции УЛР.

Анализ принципов подбора жертвенного материала для ловушки расплава по второй концепции показал, что оптимальным составом является смесь оксидов железа и алюминия, близкая по составу к эквимолярной смеси [Асмолов В.Г., Загрязкин В.Н., Удалов Ю.П. и др. Выбор жертвенного материала ловушки для удержания расплава активной зоны ВВЭР-1000. - Атомная энергия, 2002, т.92, вып.1, с.7-18]. Эксперименты показали, что такой жертвенный материал эффективно взаимодействует как с оксидной компонентой кориума, так и с металлической компонентой кориума (цирконием). Для предотвращения явления вторичной критичности в жертвенные материалы рекомендуется вводить поглотители нейтронов - например, оксид гадолиния GcbCb, обладающий аномально высоким сечением захвата тепловых нейтронов. Известны разновидности оксидных материалов для использования в рассматриваемых целях: например, керамические материалы на основе SiO2, Al2O3, ZrO2, MgO, VO2, ThO2, a также оксидов железа и алюминия [Патент США 5,343,506]. Однако авторы этого патента не уточняют количественный состав керамического материала и его характеристики (плотность, пористость и т.д.), нет в этом патенте и обоснования оптимального состава. Предлагаемый в патенте США 5,343,506 материал не способен решать одну из важных функций жертвенного материала - окисление металлического циркония и хрома в кориуме, так как не содержит в достаточном количестве оксидов, способных легко и в значительных количествах отдавать кислород.

Известны составы керамических материалов на основе оксидов железа и алюминия, в которых для достижения необходимой плотности и прочности в результате высокотемпературного спекания вводятся различные добавки. Так в патенте США 4,810,290 для обеспечения спекания железосодержащей руды вводится до 2 мас.% оксида кальция CaO. Для аналогичных целей в железную руду (состоящую в основном из магнетита Fe304) предлагается вводить до 0,8 мас.% силикатов щелочных элементов [патент США 6,293,994], либо коллоидный кремнезем [патент США 6,384,126], либо высокоглиноземистый цемент в количестве от 3 до 30 мас.% [патент США 6,409,964]. К недостаткам таких материалов с точки зрения их использования в качестве жертвенных материалов ловушки расплава ядерного реактора относится то, что при их синтезе при высоких температурах происходит частичная потеря гематитом кислорода с переходом его в магнетит (надо отметить, что этой цели и добивались авторы перечисленных патентов) и то, что плотность и прочность керамического материала не контролировалась.

Известен способ изготовления синтетического огнеупорного материала на основе смеси оксида железа и алюминия с соотношением в исходной шихте Pe₂O₃:Al2O3 от 30:70 до 60:40 и добавкой оксида магния MgO от 20 до 60 мас.% [патент Канады 2379885]. В этом керамическом материале наряду с комплексом свойств, частично удовлетворяющих требования к неметаллическим жертвенным материалам для УЛР (низкая температура плавления, растворимость в неограниченном интервале концентраций в расплавленном кориуме, способность понижать плотность кориума), имеются следующие недостатки: использование MgO в качестве добавки, активирующей спекание, приводит к интенсивной потере оксидом Pe₂O₃ на стадии обжига части кислорода с переходом в магнетит Fe₂O₄, так как для достижения достаточной прочности (величина ее в патенте не указана) керамический материал обжигается при температуре от 1350 до 1600°C. В результате материал лишается части своих ценных свойств (оксид железа Fe₂O₃ при этих условиях разлагается до Pe₃O₄ с выделением 3,1% кислорода от массы оксида железа). Кроме того, выделение на стадии обжига кислорода из Fe₂O₃ затрудняет спекание, что не позволяет однократным обжигом получить необходимую объемную плотность керамического материала. Причина такого поведения гематита при использовании в качестве активатора спекания добавки оксида магния заключается в следующем. При диффузии двухвалентных ионов магния в кристаллическую решетку оксида трехвалентного железа Fe₂O₃ происходит встраивание ионов магния на места ионов железа с образованием вакансий по кислороду для компенсации недостатка заряда в катионной подрешетке. В результате образуется дефект Шоттки, при котором ион кислорода мигрирует к поверхности, где теряет заряд и покидает кристаллическую решетку с образованием газообразного кислорода. Такой характер взаимодействия наблюдается для всех одновалентных и двухвалентных катионов (которые в потенциале могли бы быть легкоплавкими активаторами спекания). Катионы трехвалентных металлов не могут быть активаторами спекания, так как, как правило, имеют очень высокую температуру плавления (выше, чем у оксида железа). Катионы четырехвалентных и пятивалентных металлов в принципе могут быть активаторами спекания для трехвалентного оксида железа, так как при их диффузии в кристаллическую решетку оксида Fe₂O₃ катионы металлов замещают катионы трехвалентного железа с образованием вакансий в катионной подрешетке для компенсации избытка заряда (то есть, образуются дефекты Шоттки за счет ухода катионов железа на поверхность кристалла), а подрешетка ионов кислорода остается неизменной и потери кислорода не происходит.

Известны составы шихты для изготовления жертвенных керамических изделий из керамики на основе оксидов железа и алюминия, в которые для активации спекания основных оксидов вводится оксид кремния в чистом виде до 4 мас.% [патент RU 2178924], либо оксид кремния в составе каолина, содержание которого в шихте в 2,1-2,3 раза превышает заданное содержание диоксида кремния в материале [патент RU 2206930].

Наиболее близким способом (прототипом) получения жертвенного керамического материала из оксидов железа и алюминия является техническое решение по патенту RU 2206930. Согласно этому патенту изготовление жертвенного керамического материала включает, в частности, следующие операции: подготовку шихты из оксидов железа и алюминия, диоксида кремния, помол ее с получением пресс-порошка, прессование образцов определенной конфигурации и размера, последующий обжиг с выдержкой в течение 2-14 часов. Продукт обжига далее подвергают дроблению, помолу, фракционированию и повторному прессованию. Завершающей операцией является повторный высокотемпературный обжиг с выдержкой в течение 4-14 часов.

Очевидно, что рассматриваемый способ, включающий двукратную высокотемпературную обработку, дробление обожженных брикетов после первого обжига, повторное прессование изделия, является весьма трудо- и энергозатратным, что диктует необходимость его замены более совершенным.

Сущность изобретения

Керамический материал на базе оксидов алюминия и железа должен обеспечивать максимально возможное количество связанного кислорода в виде соединений на основе Fe₂О₃ и иметь заданную объемную плотность (от 3,6 до 4,0 г/см³) после однократного обжига. Принципиально возможны следующие варианты решения задачи получения керамического материала со свойствами, сопоставимыми с материалом, описанным в патенте RU 2206930, с использованием однократной высокотемпературной обработки:

1) интенсификация обжига за счет введения в шихту специальных добавок, называемых минерализаторами;

2) интенсификация обжига за счет использования механоактивации шихты.

Не исключено применение одновременно и первого и второго варианта, поскольку они вполне совместимы. Ранее была показана эффективность первого варианта, что описано в Евразийском патенте №003961. Настоящее изобретение использует комбинированный способ интенсификации спекания.

Для этого в способе изготовления керамического жертвенного материала для устройства локализации расплава ядерного реактора, включающем приготовление шихты, содержащей компоненты оксид железа, оксид алюминия, добавку поглотителя нейтронов и активатор спекания, помол и обжиг порошка, первоначально производят совместный помол оксида алюминия, добавки поглотителя нейтронов и активатора спекания, а затем дополнительный совместный помол всех компонентов шихты до достижения размера зерна порошка менее 10 мкм.

Таким образом, учитывая большое различие в размолоспособности оксидов железа и алюминия, первоначально измельчают твердые оксид алюминия совместно с активатором спекания. Оксид железа добавляют при выполнении дополнительного помола шихты. Это рационализирует технологию. Также выбранный состав и порядок подготовки шихты повышает содержание остаточного количества реакционно-способного кислорода в оксиде железа и активирует спекание оксидов при сравнительно низких температурах спекания. Эффективность предлагаемого способа определяется тем, что тонко размолотый оксид алюминия и оксид кремния из активатора спекания при нагреве уже при 1200°C начинает образовывать мелкозернистый муллит, который, с одной стороны, предотвращает возможность образования герцинита (соединения FeAl₂O₄ с пониженным содержанием кислорода по сравнению с гематитом Fe₂O₃), а с другой, повышает прочность керамики.

В конкретной форме выполнения способа шихта содержит оксид железа 62-75 мас.%, оксид алюминия 25-38 мас.%, добавку оксида гадолиния в количестве до 0,15 мас.% в качестве поглотителя нейтронов и до 5 мас.% сверх содержания компонентов активатора спекания в виде оксида кремния в чистом виде или в составе бентонитовой глины. Бентонитовая глина выполняет роль как связующего и пластификатора при брикетировании образцов, так и минерализатора - активатора спекания.

В другом частном случае помол оксида алюминия, добавки поглотителя нейтронов и активатора спекания производят до достижения размера зерна порошка менее 10 мкм.

В другом частном случае обжиг производят при температуре 1320-1350°C в течение 3-6 часов.

В другом частном случае керамический материал после однократного обжига имеет плотность 3,6-4,0 г/см³ и прочность на сжатие не менее 20 МПа.

Предлагаемый способ был реализован на известном технологическом оборудовании для вибрационного помола с использованием вибрационной мельницы и обжига в печи в воздушной атмосфере. Результаты в виде примеров сведены в таблицу. Как видно из таблицы, получаемый по предлагаемому способу материал имеет характеристики, вполне сопоставимые с материалами двукратного обжига как по плотности, так и по прочности на сжатие.

1. Способ изготовления керамического жертвенного материала для устройства локализации расплава ядерного реактора, включающий приготовление шихты, содержащей компоненты оксид железа, оксид алюминия, добавку поглотителя нейтронов и активатор спекания, помол и обжиг порошка, отличающийся тем, что первоначально производят совместный помол оксида алюминия, добавки поглотителя нейтронов и активатора спекания, а затем дополнительный совместный помол всех компонентов шихты до достижения размера зерна порошка менее 10 мкм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шихта содержит оксид железа 62-75 мас.%, оксид алюминия 25-38 мас.%, добавку оксида гадолиния в количестве до 0,15 мас.% в качестве поглотителя нейтронов и до 5 мас.% сверх содержания компонентов активатора спекания в виде оксида кремния или бентонитовой глины.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что помол оксида алюминия, добавки поглотителя нейтронов и активатора спекания производят до достижения размера зерна порошка менее 10 мкм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обжиг производят при температуре 1320-1350°C в течение 3-6 часов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что керамический материал после однократного обжига имеет плотность 3,6-4,0 г/см³ и прочность на сжатие не менее 20 МПа.