ELEMENTO COMBUSTIBLE EN FORMA DE BOLA Y PRODUCCIÓN DEL MISMO PARA REACTORES NUCLEARES DE LECHO DE BOLAS DE ALTA TEMPERATURA REFRIGERADOS POR GAS (HTR).

Elemento combustible en forma de bola y producción del mismo para reactores nucleares de lecho de bolas de alta temperatura refrigerados por gas (HTR). El elemento combustible de los reactores de lecho de bolas de alta temperatura es una bola de grafito de 60 mm de diámetro producida mediante prensado a partir de grafito especial A 3 y consiste en un núcleo de 50 mm de diámetro, que contiene combustible, y rodeado por una envoltura de 5 mm de espesor libre de combustible. El núcleo de la bola del elemento combustible está unido sin transición a la envoltura y forma con ésta una unidad. El combustible esta repartido homogéneamente en forma de partículas revestidas (coated particles) en el núcleo de la bola. Las partículas revestidas son bolitas de aproximadamente 0,5 mm de tamaño (núcleos de combustible), preferentemente de óxido de uranio, y están revestidas varias veces con pirocarbono y carburo de silicio para retener los productos de fisión que se forman durante el funcionamiento del reactor. Los núcleos de combustible esféricos se producen preferentemente según el método de precipitación de gel. En este método, se convierte en gotas una solución de nitrato de uranilo con aditivos de alcohol polivinílico y alcohol tetrahidrofurfurílico mediante una vibración de las toberas y se solidifica esta solución con NH3 y NH4OH para producir núcleos esféricos de combustible de diuranato de amonio (ADU). Después de lavar, secar, reducir y sinterizar, se obtienen núcleos de combustible de UO2 de alta densidad con el diámetro deseado. En general, el revestimiento de los núcleos de combustible con pirocarbono y carburo de silicio se lleva a cabo en instalaciones de lecho fluidizado. Estas instalaciones constan de un tubo vertical de grafito de fondo cónico, que se calienta desde el exterior con una calefacción de resistores de grafito. En el vértice del cono desembocan varias toberas, a través de las cuales se introducen el gas portador argón o hidrógeno necesario para la fluidización y los gases de revestimiento. Las capas de pirocarbono precipitan desde la fase gaseosa a temperaturas entre 1.000ºC y 1.400ºC mediante una pirólisis de etino o de una mezcla de etino y propino. En el revestimiento con carburo de silicio se utiliza como gas de revestimiento preferentemente metiltriclorosilano. La temperatura de precipitación es algo mayor, 1.500ºC. Dependiendo de las condiciones de revestimiento, se obtienen capas de distinta densidad y estructura con diferentes propiedades físicas y mecánicas. El método se describe, entre otros documentos, en las publicaciones SM-111115, simposio "Advanced High- Temperature Gas-Coold Reactors" en Jülich del 21 al 25 de octubre de 1968 y en "Recent Development in the Manufacture of Spherical Fuel Elements for High Temperature Reactors" (Hackstein, K.G., Hrovat, M., Spener, G., Ehlers, K.) y KFA Report, Jülich, 687-RW (agosto de 1970), "Entwicklung von beschichteten Brennstoffteilchen" (H. Nickel), así como en la memoria de patente alemana DE 102 04 166 y la solicitud alemana DE 101 44 352 A1. Las bolas de elemento combustible para HTR deben cumplir una serie de requisitos: gran densidad geométrica de la matriz de grafito buenas propiedades de resistencia mecánica bajo módulo de elasticidad escasa dilatación térmica alta conductibilidad térmica y gran estabilidad en la irradiación con neutrones rápidos. Para lograr las propiedades buscadas, los cuerpos moldeados de carbono deben pasar habitualmente por un proceso de grafitización a temperaturas de 2.700ºC a 3.000ºC. Dado que las bolas de elemento combustible prensadas contienen, tras el prensado, partículas de combustible revestidas en su núcleo, no es posible llevar a cabo un proceso de grafitización a temperaturas superiores a 2.700ºC. Los motivos decisivos para ello son: Ya a temperaturas superiores a 2.100ºC, el uranio de los núcleos de combustible se difunde a las capas envolventes de las partículas y, desde éstas, a la matriz de grafito de la bola de elemento combustible. El uranio difundido fuera del revestimiento a la matriz porosa de grafito de la bola de elemento combustible llevaría, durante el funcionamiento del reactor, a una contaminación inadmisiblemente alta del gas de refrigeración con los productos de fisión liberados. La difusión de uranio en grafito se describe en Hrovat, M. y Spener, G., Journal of Nuclear Materials, 19 (1966), páginas 53-58. Además, a temperaturas superiores a 2.100ºC las capas de pirocarbono cambian su estructura. Durante este cambio aumenta en gran medida la anisotropía de la orientación cristalográfica del carbono pirolítico. Por consiguiente, existe el peligro de que las partículas revestidas pierdan en el reactor su integridad mecánica demasiado pronto y, por 2 ello, liberen espontáneamente los productos de fisión radioactivos. Los resultados se describen en Koizlik, K., KFA- Report Jül-868-RW (junio de 1972), Über die Änderung der Anisotropie der kristallographischen Orientierung in Pyrokohlenstoffhüllschichten durch Glühung und Neutronenbestrahlung. De la literatura correspondiente se desprende que el grafito mantiene su estabilidad dimensional e integridad mecánica a ser irradiado con neutrones rápidos y a temperaturas por encima de 1.000ºC sólo si presenta una alta cristalinidad y es isótropo. El comportamiento frente a la irradiación y los resultados correspondientes se describen, entre otros documentos, en: GA-Report (marzo de 1970), Irradiation Behaviour of Nuclear Graphites at Elevated Temperatures, de Engle, G.B. y PNWL-1056 Report (1969), Pacific Northwest-Laboratory Richland/Washington, de Helm, J.W. Con el fin de garantizar la estabilidad dimensional y la integridad mecánica de la bola de elemento combustible prensada durante todo el tiempo de permanencia en el reactor, incluso durante un tratamiento térmico limitado a aproximadamente sólo 2.000ºC, se desarrolló un grafito especial. El grafito especial se describe en la literatura técnica como matriz de grafito A 3. La matriz de grafito A 3 está construida a base de grafito natural. El grafito natural se distingue por una cristalinidad sumamente alta. Sin embargo, su grano primario tiene forma de plaquita, con un orden cristalino hexagonal (singonía) y, por tanto, es muy anisótropo. Para lograr la isotropía necesaria de las propiedades físicas de la matriz, las bolas de elemento combustible se prensan en un molde de goma, preferentemente de caucho de silicona. El molde de goma cilíndrico consta de varias partes y, para el alojamiento de la mezcla del polvo de moldeo y combustible, presenta en su centro una cavidad elipsoidal que está dimensionada de modo que se forme ya una bola con una presión de moldeo por encima de 5 MPa. El molde de goma se introduce en la matriz de acero de la prensa y se comprime entre el estampado superior y el inferior. Para producir las bolas de elemento combustible, en primer lugar se somete a un prensado previo una mezcla de polvo de moldeo de grafito y partículas revestidas para obtener un núcleo de bola manejable; a continuación, el núcleo de la bola sometido al prensado previo se embute en polvo de moldeo de grafito, en un segundo molde de goma, y, a una presión elevada, se reprensa para obtener una bola permeable al aire. Por último, la bola reprensada se termina de prensar en vacío, en un tercer molde de goma, para obtener la densidad final. Para coquizar el aglutinante, las bolas de elemento combustible se calientan hasta 800ºC bajo atmósfera de gas inerte durante 18 horas y finalmente se calcinan en vacío a aproximadamente 2.000ºC. La matriz de grafito A 3 se compone de un 72,7% en peso de grafito natural, un 18,2% en peso de coque de petróleo grafitizado a 3.000ºC en forma de polvo y un 9,1% en peso de coque aglutinante. El procedimiento se describe en la memoria de patente y la solicitud alemanas DE 198 37 989 C2 y DE 102 53 205 A1. Para poder producir bolas de elemento combustible no sólo isótropas, sino también casi sin gradiente en sus propiedades, en la tercera etapa de compresión se terminan de prensar a una presión de moldeo alta, de 300 MPa, hasta alcanzar 1,92 g/cm 3 , lo que corresponde a aproximadamente un 99% de la densidad teórica. Al aliviar la presión, la densidad disminuye primero hasta un valor de 1,8 g/cm 3 , continúa descendiendo durante el tratamiento térmico subsiguiente y, a 280ºC, alcanza un valor mínimo de 1,6 g/cm 3 . A esta temperatura, la resina aglutinante comienza a descomponerse, produciendo gases de craqueo. El ajuste de la porosidad necesaria se lleva a cabo a través de la parte de polvo de electrografito añadida. De este modo se asegura una desgasificación casi sin presión de la matriz, evitando fisuras. Con el avance de la descomposición de la resina, la matriz de grafito comienza a encogerse y, aproximadamente a 850ºC, alcanza con un valor... [Seguir leyendo]

1. Elemento combustible en forma de bola para reactores nucleares de lecho de bolas de alta temperatura compuesto de una matriz de grafito A 3, que contiene combustible en forma de partículas revestidas (coated particles), elemento en el que las partículas de combustible están repartidas homogéneamente en el núcleo de la bola y embutidas en la matriz de grafito A 3, el núcleo de la bola está rodeado por una envoltura sin combustible, la envoltura está unida sin transición al núcleo y la matriz de grafito del núcleo de la bola y la de la envoltura están compuestas, de manera idéntica o similar, de los componentes principales grafito natural, coque de petróleo grafitizado y coque aglutinante, caracterizado porque la envoltura sin combustible de la bola de elemento combustible está compuesta de carburo de silicio (SiC) y/o carburo de circonio (ZrC), así como de grafito natural y coque de petróleo grafitizado y presenta un espesor nominal medio 1 mm. 2. Bola de elemento combustible según la reivindicación 1, caracterizada porque el espesor nominal medio de la envoltura es 2 mm. 3. Bola de elemento combustible según la reivindicación 1 y/o 2, caracterizada porque el espesor nominal medio de la envoltura está entre 1 mm y 5 mm. 4. Bola de elemento combustible según una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el contenido de carburo de silicio en la envoltura sin combustible está entre un 6% y un 14% en peso. 5. Bola de elemento combustible según una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el contenido de carburo de circonio en la envoltura sin combustible está entre un 10% y un 30% en peso. 6. Procedimiento para producir bolas de elemento combustible según una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, en la producción del polvo de moldeo para la envoltura, los compuestos de silicio o circonio se emplean en forma de óxidos. 7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque los óxidos de silicio y/o de circonio se suspenden en una solución de resina de fenol-formaldehído metanólica y la suspensión se homogeneiza con los componentes de polvo de grafito, consistentes en grafito natural y coque de petróleo grafitizado, mediante amasado a temperatura ambiente. 8. Procedimiento según la reivindicación 6 y/o 7, caracterizado porque la reacción para obtener carburo de silicio y/o carburo de circonio se realiza durante la calcinación de las bolas de elemento combustible en vacío (P < 10 -2 hPa) y a una temperatura máxima de 2.000ºC. 8