Способ отгонки водорода из засыпки порошка гидрида циркония

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к способам, применяемым при изготовлении стержней топливных сердечников керметных тепловыделяющих элементов ядерных реакторов различного назначения. Сущность изобретения: откачку камеры производят до давления 10^-2 мм рт.ст., регистрируют повышение давления в камере при выделении водорода и поддерживают повышенное давление в течение 60 мин. За это время происходит полное разложение гидрида циркония, а водород, оставшийся в цирконии в виде твердого раствора, удаляется при понижении давления до 10^-2 мм рт.ст. Техническим результатом изобретения является сокращение времени отгонки водорода, повышение производительности процесса.

 

1. Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к способам, применяемым при изготовлении стержней топливных сердечников керметных тепловыделяющих элементов ядерных реакторов различного назначения.

2. Уровень техники.

Одним из направлений в ядерной энергетике является использование твэлов, в которых тепловыделяющие сердечники набраны из керметных стержней (см., например, Федик И.И., Гаврилин С.С. и др. Новое поколение твэлов на основе микротоплива для ВВЭР. - М.: Атомная энергия, 2004, т.96, вып.4, с.280).

Для изготовления такого стержня используется заготовка, представляющая собой контейнер в виде трубы из циркониевого сплава, закрытой с двух сторон заглушками, установленными в трубе с гарантированным зазором. Контейнер заполняется засыпкой из порошков ядерного топлива и материала матрицы (С.С.Гаврилин, В.П.Денискин и др. Заготовка стержня топливного сердечника керметного тепловыделяющего элемента ядерного реактора, патент РФ №2305333, опубл. 27.08.2007, Бюл. №24).

При выборе циркония в качестве материала матрицы цирконий целесообразно подавать в засыпку в виде гидрида циркония, поскольку из гидрида циркония легко получить порошок требуемого фракционного состава (см., например, сборник "Гидриды металлов" под редакцией Р.А.Андриевского и К.Г.Ткача, М., Атомиздат, 1973, с.99-100). Последующая отгонка водорода из порошка гидрида циркония может осуществляться различными способами.

Известен способ отгонки водорода из засыпки порошка гидрида циркония, заключающийся в том, что порошок засыпают в контейнер, нагревают контейнер до температуры выделения водорода и отгоняют водород пропусканием инертного газа, например аргона (см., например, Г.Г.Зырянов, Б.М.Могутнов, Л.А.Шварцман, Кинетика термической диссоциации гидридов переходных металлов, Доклады АН СССР, т.208, №4, 1973, с.888-891).

При промышленном производстве твэлов с такими сердечниками этот способ практически непригоден. Действительно, создание даже малогабаритных ядерных реакторов предполагает суточный объем выпуска сердечников порядка ста штук. Разработка вакуумной нагревательной установки для одновременной отгонки водорода из сотни контейнеров представляет собой сложную техническую задачу, связанную с необходимостью подвода и отвода несущего газа от каждого контейнера с обеспечением возможности герметизации контейнера после отгонки.

Известен также способ отгонки водорода из порошков гидридных материалов, в котором контейнер с порошком гидрида металла загружают в камеру нагревательной вакуумной печи, производят откачку камеры до определенного давления, нагревают контейнер до температуры разложения гидрида и заканчивают процесс при этих температуре и давлении (см., например, С.В.Елинсон, К.И.Петров. Цирконий. Химические и физические методы анализа., ГУ по использованию атомной энергии при СМ СССР, М., 1960, с.6).

Недостатком этого способа отгонки водорода является низкая производительность процесса, поскольку, например, при требуемом остаточном содержании водорода на уровне 0,01 мас.% длительность отгонки составляет 10-20 часов. Кроме того, при засыпке контейнера порошками матрицы и ядерного топлива за это время в местах соприкосновения частиц порошков происходит химическое взаимодействие с образованием участков с высокой микротвердостью (порядка 1000 МПа). Наличие таких участков приводит к образованию пор при прессовании сердечника и снижает выход годной продукции.

С предлагаемым способом последний способ совпадает по следующим существенным признакам:

- порошок засыпают в контейнер;

- контейнер загружают в камеру нагревательной вакуумной печи;

- производят откачку камеры до определенного давления,

- нагревают контейнер до температуры разложения гидрида;

- заканчивают процесс при этих температуре и давлении.

По совокупности существенных признаков последний способ наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.

3. Сущность изобретения.

Предлагаемый способ отгонки водорода из засыпки порошка гидрида циркония заключается в том, что порошок засыпают в контейнер, контейнер загружают в камеру нагревательной вакуумной печи, производят откачку камеры до определенного давления, нагревают контейнер до температуры разложения гидрида и заканчивают процесс при этих температуре и давлении. В отличие от прототипа в предлагаемом способе откачку камеры производят до давления 10^-2 мм рт.ст., регистрируют повышение давления в камере при выделении водорода и поддерживают повышенное давление в течение не более одного часа. За это время и в указанных условиях происходит полное разложение гидрида циркония, а водород, оставшийся в цирконии в виде твердого раствора, удаляется из засыпки при понижении давления до 10^-2 мм рт.ст.

Поскольку при поддержании повышенного давления скорость выхода водорода из засыпки порошка гидрида определяется коэффициентом диффузии водорода в гидриде металла, то время отгонки водорода существенно сокращается, что и определяет положительный эффект предлагаемого способа - повышение производительности процесса.

4. Сведения о возможности реализации предлагаемого способа.

В цилиндрический контейнер высотой 60 мм, диаметром 9,1 мм и толщиной стенки 0,7 мм засыпался порошок гидрида циркония ZrH_1, 68 с размером частиц 50-100 мкм. Контейнер помещался в камеру нагревательной вакуумной печи, производилась откачка камеры до давления 10^-2 мм рт.ст. и начинался нагрев контейнера со скоростью 5°C/мин до 900°C. При достижении температуры 900°C давление в камере за счет выделения водорода возросло до 0,22 мм рт.ст. и поддерживалось путем дросселирования вакуумной системы на этом уровне в течение 60 мин. Затем производили откачку камеры до давления 10^-2 мм рт.ст. и заканчивали процесс выдержкой контейнера при этом давлении и температуре 900°C в течение 1 часа. Содержание водорода после отгонки по указанному процессу составило 0,007 мас.% при общем времени процесса 5 часов.

Способ отгонки водорода из засыпки порошка гидрида циркония, заключающийся в том, что порошок засыпают в контейнер, контейнер загружают в камеру нагревательной вакуумной печи, производят откачку камеры до определенного давления, нагревают контейнер до температуры разложения гидрида и заканчивают процесс при этих температуре и давлении, отличающийся тем, что откачку камеры производят до давления 10^-2 мм рт.ст., регистрируют повышение давления в камере при выделении водорода и поддерживают повышенное давление в течение 60 мин.