Некоторые характеристики экспериментального уран-гадолиниевого оксидного топлива
Проведены исследования уран-гадолиниевого оксидного топлива при содержании Gd₂О₃ от 3 до 10 мас.%. Изучено влияние температуры и времени спекания, а также содержания выгорающего поглотителя Gd₂O₃ на характеристики спеченных таблеток. Проведенi дослiдження уран-гадолiнiєвого оксидного палива при вм...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2004 |
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2004
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81341 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Некоторые характеристики экспериментального уран-гадолиниевого оксидного топлива / С.A. Сиренко, А.И. Большак, В.K. Яковлев, Е.A. Слабоспицкая, O.B. Данилова, Н.M. Роенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 6. — С. 178-180. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859944654497120256 |
|---|---|
| author | Сиренко, С. A . Большак, А.И. Яковлев, В.K. Слабоспицкая, Е.A. Данилова, O.B. Роенко, Н.M. |
| author_facet | Сиренко, С. A . Большак, А.И. Яковлев, В.K. Слабоспицкая, Е.A. Данилова, O.B. Роенко, Н.M. |
| citation_txt | Некоторые характеристики экспериментального уран-гадолиниевого оксидного топлива / С.A. Сиренко, А.И. Большак, В.K. Яковлев, Е.A. Слабоспицкая, O.B. Данилова, Н.M. Роенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 6. — С. 178-180. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Проведены исследования уран-гадолиниевого оксидного топлива при содержании Gd₂О₃ от 3 до
10 мас.%. Изучено влияние температуры и времени спекания, а также содержания выгорающего поглотителя Gd₂O₃ на характеристики спеченных таблеток.
Проведенi дослiдження уран-гадолiнiєвого оксидного палива при вмiстi Gd₂O₃ вiд 3 до 10 мас.%.
Вивчено вплив температури ї часу спечення, а також вмiсту вигоряємого поглинача Gd₂O₃ на
характеристики спечених таблеток.
Conducted experiments on UO₂-Gd₂O₃ fuel with Gd₂O₃ content from 3 up to 10 weight persent. Determined the
effect of temperature and time of thermal treatment as well as Gd₂O₃ content on the performance of fuel pellets.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:12:56Z |
| format | Article |
| fulltext |
НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
УРАН-ГАДОЛИНИЕВОГО ОКСИДНОГО ТОПЛИВА
С. A . Сиренко, А.И. Большак, В.K. Яковлев, Е.A. Слабоспицкая,
O.B. Данилова, Н.M. Роенко
ННЦ “ Харьковский физико-технический институт “,
61108, г. Харьков, Украина
Проведены исследования уран-гадолиниевого оксидного топлива при содержании Gd2О3 от 3 до
10 мас.%. Изучено влияние температуры и времени спекания, а также содержания выгорающего поглотите-
ля Gd2O3 на характеристики спеченных таблеток.
ВВЕДЕНИЕ
Повышение технико-экономических показателей
АЭС связано с увеличением выгорания ядерного
топлива. Увеличение компании эксплуатации топ-
ливной загрузки ядерного реактора от 12 до 18 меся-
цев (и даже до 24) требует использования топлива с
обогащением не менее 4,5 %. Для подавления высо-
кой начальной реактивности в активную зону водо-
водяных реакторов предлагается вводить выгораю-
щий поглотитель нейтронов (ВП). Такой способ
имеет ряд преимуществ перед применением ВП как
самостоятельного конструкционного элемента. Вве-
дение выгорающего поглотителя в виде окиси гадо-
линия (Gd2O3) непосредственно в топливные таблет-
ки избавляет от ограничений, связанных с размеще-
нием органов регулирования, не уменьшает количе-
ство твэлов в активной зоне, следовательно, не уве-
личивает линейное энерговыделение твэлов и, тем
самым, экономится полезное место в тепло-выделя-
ющих стержнях (ТВС), уменьшается паразитное
поглощение нейтронов, отпадает необходимость в
транспортировке и хранении облученных выгораю-
щих поглотителей (ВП). Гадолиний имеет высокое
поперечное сечение захвата нейтронов и не вызыва-
ет образования нежелательных дочерных продуктов,
обладает хорошей совместимостью с UO2. Содержа-
ние Gd2O3 в штатных твэлах достигает 9 мас.% [2], а
в опытных 12 мас.% [3].
По мнению специалистов научно-исследователь-
ского электроэнергетического института США, в
ближайшее десятилетие следует ожидать суще-
ственного увеличения объемов использования инте-
грированного топлива UO2 +Gd2O3. В ННЦ ХФТИ
проводятся работы по изучению влияния технологи-
ческих параметров изготовления на характеристики
(U,Gd)O2 таблеток. В настоящей статье представле-
ны результаты исследования некоторых характери-
стик экспериментального (U,Gd)O2 топлива.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследование по отработке операций и режимов
изготовления таблеточного оксидного топлива с до-
бавками оксида гадолиния проводили с использова-
нием порошка диоксида урана (ТУ 95.604-79) с раз-
мером частиц 10…15 мкм и оксида гадолиния (ГдО-
5 ТУ 48-200-72) с размером частиц 5…8 мкм. Ис-
ходные порошки предварительно смешивались в
нужных пропорциях методом квартования. Оконча-
тельное перемешивание осуществлялось на плане-
тарной мельнице в течение 2 ч. Cмешивание приго-
товленной порошкообразной шихты со связующим
(10 мас/% парафина, растворенным в пропорции 1:5
бензином) проводили в универсальном лопастном
смесителе в течение 2 ч. В этом же смесителе, не из-
влекая материал, проводили его сушку при темпера-
туре 80°С в течение часа при постоянном перемеши-
вании.
Высушенная от бензина шихта проходила опера-
цию уплотнения путем трехкратного прессования в
брикеты и последующего их разрушения на сите с
размером ячейки 630 мкм. Прессование таблеток на
связующем с выгорающим поглотителем произво-
дили двухсторонним прессованием в стальных
прессформах на гидравлическом прессе П6320 при
удельном давлении 1000 МПа. Спрессованные заго-
товки топливных таблеток проходили контроль
внешнего вида на наличие дефектов и передавались
на операцию отгонки связующего и спекания. Та-
блетки на связующем в состоянии засыпки помеща-
ли в графитовые тигли, футерованные молибдено-
вым прокатом. Процесс отгонки связующего прово-
дили при остаточном давлении 10-3 мм рт.ст. в тече-
ние 4 ч. Поднимали температуру печи до 300°С, ско-
рость подъема температуры составила 50°С/ч. При
этой температуре исследуемые таблетки выдержива-
ли 1 ч и охлаждали до комнатной температуры.
Тигель с таблетками после извлечения из печи от-
гонки помещали в высокотемпературную печь с гра-
фитовым нагревателем, изготовленную на базе ваку-
умной установки ВУМ-10. Процесс спекания прово-
дили в вакууме 10-3 мм рт.ст. при различных темпе-
ратурах и временах. Контроль плотности спеченных
таблеток производили методом гидростатического
взвешивания с точностью ±0,01 г/см3
Для измерения содержания урана в (U,Gd)O2-
топливе и определения отношения O/U использовал-
ся термогравиметрический метод с погрешностью
определения ±0,5%.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 6.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (14), с. 178-180.
178
Производился металлографический анализ
структуры спеченных таблеток.
Исследование фазового состава и определение
параметров решетки UO2 и UO2+Gd2O3 производи-
лись на рентгеновской установке типа ДРОН в мед-
ном излучении с никелевым фильтром.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Значения абсолютной и относительной плотно-
сти, кислородного коэффициента O/U таблеток с
различным содержанием Gd2O3, спеченных при
различных температурах и временах выдержки
представлены в таблице.
Характерная структура спеченных (U,Gd)O2 та-
блеток представлена на рис.1. Наблюдается равно-
мерная структура без видимых включений с некото-
рой долей пор и размером зерна 10…20 мкм.
Обнаруживается снижение плотности спеченных
(U,Gd)O2 таблеток относительно теоретической при
содержании Gd2O3 2….4 % (рис.2).
Для сравнения на рис.3 представлена зависи-
мость теоретической плотности твердого раствора
от содержания Gd2O3.
|--| 20 мкм .
Рис 1. Микроструктура спеченных таблеток
UO2+10%Gd2О3
Рентгеноструктурный анализ показал что, оба
образца (UO2 и UO2+10%Gd2O3) имеют одинаковую
кристаллическую решетку - гранецентрированный
куб. Дополнительных дифракционных линий на
рентгенограммах образцов не обнаружено. Дифрак-
ционные линии образца из UO2+10%Gd2O3 сильно
размытые. Параметры кристаллической решетки
обоих образцов определялись по дифракционной
линии под большими углами отражения (для UO2 -ϑ
= 69°05′; для UO2+10%Gd2O3 -ϑ = 69°53′ ). Парамет-
ры решетки: UO2 – а = 5,4743±0,0009 A°; UO2+Gd2O3
– a = (5,4458± 0,0009) А.
0 2 4 6 8 10
10,20
10,25
10,30
10,35
10,40
10,45
10,50
10,55
№ 1
№ 2
№ 3
№ 4
пл
от
но
ст
ь,
г
/с
м3
содержание Gd2O3 в %
Рис.2. Зависимость плотности спеченных табле-
ток от температуры, времени спекания и содер-
жания Gd2O3.: №1-1700 оС, 2 ; №2-1800 оС, 2 ч;
№3-1800 оС, 4 ч; №4-1800 оС, 6 ч
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Критические свойства топлива ( отношение O/U,
плотность, параметр решетки и др.) взаимосвязаны
и каждое из них определяется структурой твердого
раствора UO2-GdO3. Отмеченное в данной работе
снижение плотности спеченных (U,Gd)O2-таблеток в
диапазоне содержания Gd2O3 2…4 % соответствует
данным работ [5,6,7]. В то же время в работе [8]
плотность таблеток достигает максимального значе-
ния при содержании Gd2O3 4…8 %.
Основные параметры образцов Gd2O3 + UO2
Температура спека-
ния, oC
Время
спекания,
ч
% содержание
по массе,
Gd2O3 + UO2
ρ, г/см3 Относительная
плотность, % O/U
1700 2
0
3
5
10
10,40
*10,22
*10,24
*10,21
0,951
0,943
0,951
0,962
1,99
2,01
2,03
2,06
1800 2
0
3
5
10
10,44
10,25
10,27
*10,24
0,954
0,946
0,954
0,965
2,00
2,01
2,04
2,08
1800 4
0
3
5
10
10,48
10,28
10,32
10,26
0,958
0,948
0,958
0,967
2,01
2,02
2,04
2,09
1800 6
0
3
5
10
10,52
10,30
10,35
10,28
0,962
0,950
0,961
0,969
2,01
2,02
2,06
2,11
* Данные, не соответствующие ТУ.
179
0 2 4 6 8 10
10,60
10,65
10,70
10,75
10,80
10,85
10,90
10,95
11,00
Те
ор
ет
ич
ес
ка
я
пл
от
но
ст
ь,
г
/с
м
3
Содержание Gd2O3 по массе, %
Рис.3 .Зависимость теоретической плотности
твердого раствора от содержания Gd2O3.
Поддержание отношения O/U=2 является важ-
нейшим требованием к таблеткам, так как при этом
теплопроводность максимальна, а деформация, вы-
зываемая ползучестью, минимальна, что обеспечи-
вает размерную стабильность таблеток при облуче-
нии. Кроме того, выход газообразных продуктов де-
ления минимален в (U,Gd)O2-таблетках с отношени-
ем O/U близким к 2,00.
Полученные в данной работе значения O/U в
основном соответствуют требованиям ТУ 001346-92
так же как и плотность спеченных таблеток.
Полученные результаты указывают на возмож-
ность при изготовлении (U,Gd)O2-топлива использо-
вания спекания в вакууме.
Рентгеноструктурный анализ показал, что спе-
ченные таблетки с точностью до 5 мас.% являются в
действительности твердым раствором UO2-Gd2O3.
Параметр решетки образца UO2+10%Gd2O3 соответ-
ствует по данным работ [4,9] кристаллическую ре-
шетке - гранецентрированному кубу. Дополнитель-
ных дифракционных линий на рентгенограммах об-
разцов не обнаружено. Таким образом, спеченные
таблетки являются в действительности твердым
раствором UO2-Gd2O3. Это объясняет отсутствие ли-
ний Gd2O3 на рентгенограммах образцов.
ВЫВОДЫ
1. Значения плотности спеченных таблеток и
кислородного коэффициента O/U в основном
соответствуют установленным требованиям
к (U,Gd)O2-топливу.
2. При изготовлении (U,Gd)O2-топлива воз-
можно применение спекания в вакууме.
3. В диапазоне содержания Gd2O3 2…4 мас.%
происходит снижение плотности спеченных
таблеток относительно теоретической.
4. Определен параметр решетки твердого
раствора UO2+Gd2O3. Установлено его соот-
ветствие с литературными данными [4,9].
5. Проведенные исследования позволяют изго-
тавливать (U,Gd)O2-таблетки с заданными
свойствами.
ЛИТЕРАТУРА
1. R. Holzer et. al. Progress in the design of fuel as-
semblies for LWR // Proc. of Symp. on Improve-
ments in Water Reactor Fuel Technology and Uti-
lization, Stockholm, 15-19 Sep. 1986. Vienna:
IAEA, 1987, p. 43-56.
2. D.Franklin et. al. Advances in light water reactor
fuels // Trans. ANS. 1987, v. 55, p. 255-257.
3. В. В. Горский. Применение гадолиния в легко-
водных реакторах // Атомная техника за рубе-
жом. 1987, №3, с.-3-11.
4. S.Fukushima, T.Ohmichi, A.Maeda et. al. The ef-
fect of gadolinium content on the thermal conduc-
tivity of nearstoichiometric (U, Gd)O2 solid solu-
tion // J. Nucl. Mater. 1982, v. 105, p. 201-210.
5. J.Littlechild, G.Butler, G.Lester. The production of
burnable poison oxide fuel. 1983, p.65.1-65.4.
6. R.Beals, J.Handwerk. Solid solutions in the system
urania-rate-earth oxides: I, UO2-Gd1,5 // J. Amer.
Ceram. Soc. 1965, v. 48, № 5, p. 271-274.
7. H.Assmann, M.Peehs, H.Roepenack. Survey of bi-
nary oxide fuel manufacturing and quality control //
Ibid. 1988, v.153, p. 115-126.
8. S.Ho, K.Radford. Structural chemisrry of solid so-
lution in the UO2-Gd2O3 system // Nucl. Technol.
1986, v. 73, №3, p. 350-360.
9. T.Wada, K.Noro, K.Tsukui. Behaviour of UO2-
Gd2O3 fuel // Proc. of Intern. Conf. on Nuclear
Fuel Performance. 15-19 Oct., 1973, London:
BNES, 1973, p. 63. 1-63. 3.
ДЕЯКI ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
УРАН-ГАДОЛIНIЄВОГО ОКСИДНОГО ПАЛИВА
С. А. Сіренко, О.I. Большак, В.К. Яковлєв, Є. О. Слабоспицька, О. В. Данилова, Н. М. Роєнко
Проведенi дослiдження уран-гадолiнiєвого оксидного палива при вмiстi Gd2O3 вiд 3 до 10 мас.%.
Вивчено вплив температури ї часу спечення, а також вмiсту вигоряємого поглинача Gd2O3 на
характеристики спечених таблеток.
SOME DESCRIPTIONS OF EXPERIMENT URAN-GADOLINIUM OXIDE FUEL
S. A. Sirenko, A. I. Bolhak, V. K. Jakovlev, J. A. Slabospizkaja, O. V. Danilova, N. M. Rojenko
Conducted experiments on UO2-Gd2O3 fuel with Gd2O3 content from 3 up to 10 weight persent. Determined the
effect of temperature and time of thermal treatment as well as Gd2O3content on the performance of fuel pellets.
180
ВВЕДЕНИЕ
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Рис.2. Зависимость плотности спеченных таблеток от температуры, времени спекания и содержания Gd2O3.: №1-1700 оС, 2 ; №2-1800 оС, 2 ч; №3-1800 оС, 4 ч; №4-1800 оС, 6 ч
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Рис.3 .Зависимость теоретической плотности твердого раствора от содержания Gd2O3.
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
S. A. Sirenko, A. I. Bolhak, V. K. Jakovlev, J. A. Slabospizkaja, O. V. Danilova, N. M. Rojenko
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81341 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:12:56Z |
| publishDate | 2004 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Сиренко, С. A . Большак, А.И. Яковлев, В.K. Слабоспицкая, Е.A. Данилова, O.B. Роенко, Н.M. 2015-05-14T19:27:51Z 2015-05-14T19:27:51Z 2004 Некоторые характеристики экспериментального уран-гадолиниевого оксидного топлива / С.A. Сиренко, А.И. Большак, В.K. Яковлев, Е.A. Слабоспицкая, O.B. Данилова, Н.M. Роенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 6. — С. 178-180. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81341 Проведены исследования уран-гадолиниевого оксидного топлива при содержании Gd₂О₃ от 3 до 10 мас.%. Изучено влияние температуры и времени спекания, а также содержания выгорающего поглотителя Gd₂O₃ на характеристики спеченных таблеток. Проведенi дослiдження уран-гадолiнiєвого оксидного палива при вмiстi Gd₂O₃ вiд 3 до 10 мас.%. Вивчено вплив температури ї часу спечення, а також вмiсту вигоряємого поглинача Gd₂O₃ на характеристики спечених таблеток. Conducted experiments on UO₂-Gd₂O₃ fuel with Gd₂O₃ content from 3 up to 10 weight persent. Determined the effect of temperature and time of thermal treatment as well as Gd₂O₃ content on the performance of fuel pellets. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ Некоторые характеристики экспериментального уран-гадолиниевого оксидного топлива Деякi характеристики експериментального уран-гадолiнiєвого оксидного палива Some descriptions of experiment uran-gadolinium oxide fuel Article published earlier |
| spellingShingle | Некоторые характеристики экспериментального уран-гадолиниевого оксидного топлива Сиренко, С. A . Большак, А.И. Яковлев, В.K. Слабоспицкая, Е.A. Данилова, O.B. Роенко, Н.M. Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ |
| title | Некоторые характеристики экспериментального уран-гадолиниевого оксидного топлива |
| title_alt | Деякi характеристики експериментального уран-гадолiнiєвого оксидного палива Some descriptions of experiment uran-gadolinium oxide fuel |
| title_full | Некоторые характеристики экспериментального уран-гадолиниевого оксидного топлива |
| title_fullStr | Некоторые характеристики экспериментального уран-гадолиниевого оксидного топлива |
| title_full_unstemmed | Некоторые характеристики экспериментального уран-гадолиниевого оксидного топлива |
| title_short | Некоторые характеристики экспериментального уран-гадолиниевого оксидного топлива |
| title_sort | некоторые характеристики экспериментального уран-гадолиниевого оксидного топлива |
| topic | Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ |
| topic_facet | Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81341 |
| work_keys_str_mv | AT sirenkosa nekotoryeharakteristikiéksperimentalʹnogourangadolinievogooksidnogotopliva AT bolʹšakai nekotoryeharakteristikiéksperimentalʹnogourangadolinievogooksidnogotopliva AT âkovlevvk nekotoryeharakteristikiéksperimentalʹnogourangadolinievogooksidnogotopliva AT slabospickaâea nekotoryeharakteristikiéksperimentalʹnogourangadolinievogooksidnogotopliva AT danilovaob nekotoryeharakteristikiéksperimentalʹnogourangadolinievogooksidnogotopliva AT roenkonm nekotoryeharakteristikiéksperimentalʹnogourangadolinievogooksidnogotopliva AT sirenkosa deâkiharakteristikieksperimentalʹnogourangadoliniêvogooksidnogopaliva AT bolʹšakai deâkiharakteristikieksperimentalʹnogourangadoliniêvogooksidnogopaliva AT âkovlevvk deâkiharakteristikieksperimentalʹnogourangadoliniêvogooksidnogopaliva AT slabospickaâea deâkiharakteristikieksperimentalʹnogourangadoliniêvogooksidnogopaliva AT danilovaob deâkiharakteristikieksperimentalʹnogourangadoliniêvogooksidnogopaliva AT roenkonm deâkiharakteristikieksperimentalʹnogourangadoliniêvogooksidnogopaliva AT sirenkosa somedescriptionsofexperimenturangadoliniumoxidefuel AT bolʹšakai somedescriptionsofexperimenturangadoliniumoxidefuel AT âkovlevvk somedescriptionsofexperimenturangadoliniumoxidefuel AT slabospickaâea somedescriptionsofexperimenturangadoliniumoxidefuel AT danilovaob somedescriptionsofexperimenturangadoliniumoxidefuel AT roenkonm somedescriptionsofexperimenturangadoliniumoxidefuel |