Стехиометрический uo2, плотность 9,3-10,1 г/см3, обогащение 5%, выгорание 1360-5520 мВт.Сутки/т u. Температура в центре 830-1150с.
По данным электронной микроскопии после облучения резко снижается прочность по границам зерен.
Рост зерен при высокотемпературном облучении сопровождается образованием столбчатых кристаллов, охватывающих до 70% всей площади поперечного сечения таблетки, рис.1. Нижний предел отчетливого роста кристаллов - 1500С. В таблетках из нестехиометрического UO2 рост кристаллов больше, чем в таблетках из стехиометрического UO2.
Образование центрального канала. В центральной зоне цилиндрических таблеток с наивысшей температурой происходит образование полости, рис. 1. Процесс образования полости облегчается, когда температура достигает температуры плавления. Образование полости связывают с перемещением пустот, направленным к центру, во время роста зерен. При наличии температурного градиента происходит испарение материала с более горячей поверхности поры и конденсация на более холодной. Таким образом, пора продвигается к центральной, более горячей зоне облучаемого стержня.
Другим объяснением образования центральной полости называют усадку, сопровождающую кристаллизацию расплавленной зоны. В начале облучения стержня его сердцевина расплавляется в радиусе, обусловленном величиной теплонапряженности и теплопроводностью материала. В прилегающей зоне под влиянием высокой температуры и ее больших градиентов происходит быстрая миграция пор и образование столбчатой структуры. Такое изменение в структуре приводит к повышению теплопроводности и уменьшению температуры в центральной зоне. Расплавленный материал твердеет. При этом столбчатая структура постепенно прорастает к центру. В пользу такого механизма свидетельствует тот факт, что полость обнаруживается в образцах даже при непродолжительном облучении.
Спекание под облучением. При облучении свободно засыпанного или уплотненного в оболочке, но не спеченного UO2 происходит интенсивное спекание частиц уже при 900С. В таких образцах, так же как в спеченной таблетке наблюдаются радиальные трещины, рост зерен и образование центральной полости, рис.4.
Рис.4. Облученный рыхлый порошок UO2. Стехиометрический UO2, обогащение 3,33%, плотность 7,8 г/см3, выгорание 4100 МВт сутки/т U, Т max = 1200С.
Газовыделение. Образующиеся газообразные продукты деления частично удерживаются в решетке UO2, а частично выделяются в зазоры между сердечником и оболочкой твэла, или в специально предусматриваемые объемы внутри твэла для сбора газов.
Газовыделение в зазоры, повышая давление в твэлах, создает опасность разрушения оболочки и выхода радиоактивных газов в теплоноситель. Изменяется состав газа в зазоре, если при изготовлении твэлов их заполняли гелием, имеющим наиболее благоприятный коэффициент теплопроводности. Ухудшается теплопередача между топливом и оболочкой, что приводит к повышению температуры горючего.
Объем выделяющихся газов зависит от температуры работы твэла, степени выгорания, плотности UO2. При облучении до температуры 1650С газообразные продукты составляют от долей процента до нескольких процентов. При повышении температуры газовыделение резко возрастает и достигает 60% и более. Установлены следующие качественные выводы, связанные с газовыделением:
из образцов, близких по плотности, но изготовленных различными методами, при равной степени облучения выделяется различное количество осколочных газов;
газовыделение прямо пропорционально доле объема горючего при работе выше 1650С, и незначительно при более низких температурах;
газовыделение возрастает с увеличением выгорания горючего;
для диоксида урана нестехиометрического состава газовыделение больше, чем для диоксида урана стехиометрического состава.
11.3. Изменение структуры UO2, связанные с выделением продуктов деления.
Продукты деления по их состоянию и воздействию на топливный диоксидный сердечнык обычно разделяют на пять основных групп:
газообразные и летучие продукты:Kr, Xe, Br, I, Rb, Cd, Sb, Cs;
продукты, выделяющиеся в топливном сердечнике в виде металлических фаз: Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te;
продукты, выделяющиеся в виде оксидных фаз: Rb, Cs, Ba, Zr, Sr, Nb, Mo, Te;
продукты, растворимые в топливной матрице: Sr, Zr, Nb;
редкоземельные элементы: Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu;
Химическое состояние продуктов деления зависит от условий облучения, тепловых нагрузок, температурного градиента, глубины выгорания, кислородного потенциала внутритвэльной среды. От состояния, в котором находятся продукты деления в топливе, зависит скорость его распухания. Содержание продуктов деления в урановом и плутониеволм топливе при глубине выгорания 1% тяжелых атомов представлено в табл.1.
Таблица 1.