НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«МИФИ»
Кафедра «Физические проблемы материаловедения»
МАТЕРИАЛЫ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ
Ассистент, Михальчик Владимир Валерьевич
Понятие о топливных материалах
Топливные материалы - вещества, которые содержат делящиеся нуклиды, а также целый ряд других материалов, которые обеспечивают высокую работоспособность ЯТ.
Делящиеся нуклиды: 235U, 233U, 239Pu.Наиболее распространены: 235U, 239Pu
ЯТ обязательно содержит сырьевые (воспроизводящие) нуклиды: 238U, 232Th
наряду с 233U во второй реакции образуется 232U, который, распадаясь, образует γ-активные ядра (212Bi, 208Te), затрудняющие обращение с ЯТ, поэтому этот цикл практически не используется.
В ЯТ также содержатся легирующие элементы (Л.Э.), чтобы придать топливу необходимые физические и химические свойства, повысить стойкость к излучению. ЛЭ: O, C, N, Si, Al, Fe, Cr, Zr, Mo, Nb
ВПН (Gd, B, Er) выгорающий поглотитель нейтронов – вещество с большим сечением захвата нейтронов, выгорающие быстрее или с той же скоростью, что и делящиеся нуклиды, что позволяет скомпенсировать избыток тепловых нейтронов в начале топливной кампании и позволяет
увеличить глубину выгорания топлива. |
2 |
2021 |
Классификация ядерного топлива
По обогащению:
Топливо на природном уране. Используется очень редко, т.к. не позволяет достичь большую глубину выгорания
Топливо на обогащенном уране.
РБМК – 1,8% 235U ВВЭР – 3,5-4,2% 235U
Реакторы на быстрых нейтронах – 20-30% 235U
По виду делящегося и воспроизводящего нуклида:
U-Pu топливо. Топливо для БН. Экономически выгодно и целесообразно, т.к. возможно расширенное воспроизводство ЯТ. Содержит 15-30% Pu; в этом топливе делится только Pu, а U – воспроизводящий нуклид(природный, отработанный). Так же используется в тепловых реакторах для сжигания запасов оружейного плутония, содержание 239Pu до 5 мас. %.
U-Th – топливо. Делится U, а Th – воспроизводящий нуклид. Используется редко из-за жесткого гамма-излучения.
2021 |
3 |
Классификация ядерного топлива
По агрегатному состоянию:
1.Твердое. Наиболее распространено, в основном, в виде диоксида урана.
2.Жидкое. Сплавы плутония (Тпл ≈ 440 ºC) и его соли, которые планируется использовать в жидком виде в гомогенных реакторах, что позволило бы существенно улучшить радиационную стойкость топлива, однако эти расплавы являются химически агрессивными, что сдерживает их использование.
3.Газообразное. UF6 используется для обогащения, хранения и транспортировки U. Температура перехода в газообразное состояние - 56,5ºС. Непосредственно в реакторах не используется из-за высокой химической активности.
4.Дисперсное. Очень надежное. Высокое обогащение (до 90% 235U) и выгорание. Используется в исследовательских и транспортных реакторах.
5.Микротвэльное. Микросферы топлива диаметром ~500 мкм с защитными покрытиями из пироуглерода, которые предотвращают выход продуктов деления из топлива.
2021 |
4 |
Особенности ядерного топлива (ЯТ)
1. Чрезвычайно высокая калорийность. Выгорание 1г 235U эквивалентно сжиганию 3т качественного угля – это позволяет свести к минимуму транспортные расходы по доставке урана.
2. При выгорании ЯТ происходит его воспроизводство.
КВ количество образовавшегося топлива количество разделившегося топлива
ВВЭР – КВ = 0,5-0,6 ГГР – КВ = 0,8-0,9
БН – КВ до1,5 (т.е. на 1 т загруженного урана 1,5 т. выгружаемого плутония) это при использовании U-Pu топливного цикла. На обогащенном уране в БН КВ<1!
3.ЯТ может выгорать до размеров критической массы. Однако, как правило, оно выгорает меньше. В БР – 10 % т.а., ВВЭР – 4-5% т.а. - это связано не с физикой нейтронов, а с распуханием и накоплением продуктов деления.
4.ЯТ обладает высокой чистотой по примесям, чтобы уменьшить бесполезную потерю нейтронов.
5.ЯТ можно использовать многократно после его регенерации (удаления продуктов деления и добавления делящихся нуклидов).
6.ЯТ радиоактивно и требует особой предосторожности при обращении с ним
7.При выгорании ЯТ не происходит потребление кислорода (важно для подводных лодок и космических аппаратов).
2021 |
5 |
Процессы в ЯТ при его выгорании
Выгорание – расход делящихся нуклидов. Обозначение: Β Размерности: [дел./см3], [% т.а. (тяжелых атомов)], [МВт*сут/т ТМ], [г ПД/см3]
Высокая температура: меняет механические свойства ЯТ, ускоряет диффузионные процессы и увеличивает степень физико-химического взаимодействия как с оболочкой твэла, так и с теплоносителем в случае разгерметизации твэла.
Накопление продуктов деления (ПД): зашлаковывание ЯТ (накопление продуктов деления, которые бесполезно поглощают нейтроны, например 149Sm), отравление Xe или «йодная яма» (T1/2 от Те до Cs ~ 16 ч.), распухание,
изменение состава ЯТ, физико-химическе взаимодействие с оболочкой твэла (коррозия, возможное растрескивание), снижение теплопроводности ЯТ и т.д.
Радиационные повреждения топлива осколками деления (энергия осколка ~90 МэВ): термические пики, дефекты кристаллической решетки, каскады смещений, ускорение диффузии, гомогенизация, радиационная ползучесть.
Транспортные процессы: изменение структуры, состава и свойств ЯТ.
Механическое взаимодействие топлива с оболочкой твэла.
2021 |
6 |
Процессы в ЯТ при его выгорании
2021 |
7 |
Распределение температуры в твэле
2021 |
8 |
Выход продуктов деления
2021 |
9 |
Требования к ЯТ
1. Высокие ядерно-физические свойства, т.е. минимальное паразитное сечение захвата тепловых нейтронов.
2.Высокая радиационная стабильность, т.е. максимальное сопротивление изменению формы и объема в процессе эксплуатации.
3.Высокая теплопроводность, что позволяет увеличить диаметр топливных сердечников, снизить объемную долю конструкционных материалов в АЗ и увеличить КПД реактора.
4.Высокая температура плавления, что обеспечивает повышенную безопасность работы реактора в переходных режимах и в аварийных условиях.
5.Отсутствие фазовых переходов в области рабочих температур, так как они обычно сопровождаются изменением размеров (формы) топливных сердечников, а так же при этом изменяются исходные свойства топлива.
6.Хорошая совместимость с материалом оболочки, т.е. отсутствие физико- химического взаимодействия в рабочих условиях в течение кампании топлива.
7.Высокая коррозионная стойкость в теплоносителе.
8.Высокая плотность и высокое удельное содержание делящихся нуклидов в единице объема, что позволяет повысить коэффициент воспроизводства (КВ), а так же сократить размер АЗ.
9.Высокая теплоемкость, что определяет скорости изменения температуры в АЗ при переходных режимах.
10.Технологичность производства и минимальная стоимость.
2021 |
10 |