Радиационный рост U
Изменение длины образцов урана, подвергнутых различной термической обработке при облучении большими дозами: 1 – прокатка при 300 °С; 2 – прокатка при 600 °С; 3 – прокатка при 300 °С (закалка из - фазы); 4 – прокатка при 300 °С (закалка из - фазы и рекристаллизация)
Способы уменьшения радиационного роста.
Все урановые сердечники должны быть подвержены закалке. Легирование урана элементами
стабилизирующими γ-фазу (Mo,Zr и тд.), или Al, Fe,Cr, Si, которые вводятся в слабо легированный уран.
Использование прочных оболочек, препятствующих деформации урановых сердечников.
2021 |
21 |
Распухание U и его сплавов
Влияние выгорания на уменьшение плотности Δρ урана (× – прокатка при 300 °С; – прокатка при 300 °С, закалка из-фазы; – прокатка при 300 °С, закалка из -фазы,
рекристаллизация; – прокатка
при 600 °С)
S V
Vm
m
. Влияние скорости деления на распухание сплава U–10 % Мо (ΔD/b – изменение диаметра при выгорании 1 %)
Влияние температуры облучения Тобл на увеличение объема V/V нормированного урана
2021 |
22 |
Распухание U и его сплавов
Радиационное |
|
распухание урана и |
|
его сплавов: |
|
1, 2 – литой уран |
|
высокой чистоты; |
|
3 – U–0,5 % Al; 4 – |
Изменение плотности сплава урана с 10 % |
U–0,8 % А1; |
|
5 – U–0,6 % Mo; 6 – |
Мо в зависимости от температуры |
нормированный уран |
облучения и выгорания |
|
|
||
|
Методы борьбы с газовым |
|
Температурная зависимость |
распуханием U |
|
Изготовление центрального |
||
распухания высокочистого урана |
||
ответвления в урановом |
||
и его сплавов: |
||
сердечнике.Распухание будет |
||
I – высокочистый уран (5÷56·10-4 |
||
направлено к центру, при этом |
||
ат.% С); |
||
внешние размеры будут |
||
II – U–(4·10-2 ат.% С)–(1,4·10-2 |
||
меняться мало. |
||
ат.% Fe) –(0,95·10-2 ат.% Si); |
||
Использование прочных |
||
III – U–(5·10-2 ат.% С)–(4·10-2 ат. |
||
оболочек. |
||
% Fe)–(0,85·10-2 ат.% Si)– |
||
Легирование. |
||
(6,45·10-2 ат.% Al) |
||
|
2021 |
23 |
Изменение свойств U под действием облучения
1. Увеличение скорости ползучести. Ползучесть – деформация, под действием постоянной нагрузкой при высоких Т.
2. Меняются механические свойства. Особенно резко снижается пластичность, что обусловлено анизотропией радиационного роста U. В результате анизотропии кристаллы давят друг на друга и образуются микротрещины.
3. Изменение микроструктуры. В U образуются линии скольжения и двойникования, возникает пористость и трещины, что приводит к снижению теплопроводности урана
2021 |
24 |
Pu и его сплавы
Сырьем для производства Pu служит облученное ЯТ. Металлический Pu получают из солей Pu: PuF4, PuCl3.
Кальцийтермия - к соли плутония добавляют кальций. PuF4 + 2Ca → Pu + 2CaF2 + Q
Так получается «черновой» Pu, который подвергают переплавке в вакууме, после чего он практически не содержит примесей и называется «чистовым».
При охлаждении Pu растрескивается, что снижает плотность:
ρ =19,65 г/см3 – Pu высокого качества (ρтеор=19,816 г/см3)
Запасы Pu большие (несколько сотен тонн)
Изотопный состав и период полураспада
Изотоп |
Период полураспада |
Примечание |
|
|
|
238Pu |
89,6 года |
сильный альфа излучатель |
239Pu |
2,44·104 лет |
высокие сечения деления |
240Pu |
6,6·103 лет |
не делится нейтронами |
241Pu |
13,2 года |
высокое сечение деления > 239Pu |
242Pu |
380 лет |
не делится нейтронами |
241Pu →β→241Am (имеет жесткое нейтронное и гамма-излучение) Длительные выдержки регенерированного плутония невыгодны.
2021 25
Pu и его сплавы
Изотопный состав плутония различается в зависимости от типа реактора.
Схема образования и распада важнейших нуклидов плутония
Изотоп |
ВВЭР |
БН |
|
|
|
239Pu |
65% |
75,6-89,0% |
240Pu |
25% |
9,7-19,5% |
241Pu |
8% |
1,2-4,5% |
242Pu |
2% |
0,007-0,5% |
Высокофоновой плутоний – плутоний, извлекаемый из тепловых реакторов.
Низкофоновой плутоний – извлекаемый из быстрых реакторов.
Оружейный плутоний содержит 5 – 6 %
240Pu.
Считалось, что из энергетического плутония ядерное оружие получить невозможно, но это не так.
2021 |
26 |
Pu и его сплавы
Аллотропические модификации плутония
Модифик |
Область |
Тип |
Число атомов в |
Плотность, |
|
существования, |
элементарной |
||||
ация |
решетки |
г/см3 |
|||
°С |
ячейке |
||||
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
от –186 до + 126 |
Простая моноклинная |
16 |
19,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
126–185 |
ОЦ моноклинная |
34 |
17,70 |
|
|
|
|
|
|
|
|
185–310 |
ГЦ моноклинная |
8 |
17,14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
310–451 |
ГЦК |
4 |
15,92 |
|
|
|
|
|
|
|
|
451–480 |
ГЦ тетрагональная |
2 |
16,00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
480–640 (плавление) |
ОЦК |
2 |
16,51 |
Объемные изменения при аллотропических превращениях
плутония, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
жидкость |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
8,9 |
|
2,4 |
|
6,7 |
|
-0,4 |
|
-3,0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если несколько раз плутоний нагреть и охладить, то он развалится на мелкие |
|
фрагменты, поэтому получать из него изделия сложно. |
|
Все фазы плутония, кроме δ-Pu и ε-Pu, имеют сложные кристаллические |
|
решетки, то есть обладают сильной анизотропией и под облучением |
|
подвергаются радиационному росту. |
27 |
2021 |
Свойства Pu
Температурная зависимость |
|
Линейное термическое теплопроводности плутония |
Влияние циклов |
расширение плутония |
на плотность |
Механические свойства: |
плутония |
α-Pu – очень хрупкая фаза. При Т = 100 °С δ = 1%, σв = 244 МПа β-Pu – сверхпластичен. При Т = 130 °С δ = 294 %, σв = 85 МПа
Другие фазы также высокопластичны и обладают низкой прочностью.
Влияние облучения.
α-Pu - значительный радиационный рост и газовое распухание. После 44 циклов изменения температуры сердечники из плутония полностью разваливаются.
2021 |
28 |
Сплавы Pu
1. δ-сплавы Pu. Путем легирования Pu :Al, Zr, Hf, Ti, Ga удается фиксировать δ-фазу Pu.Такие сплавы используют для ядерного оружия, так как их удобно обрабатывать. В ядерной энергетике не используют, так как концентрация делящегося нуклида очень велика.
2. Жидкие сплавы Pu. При добавлении в Pu : Fe, Co, Ni температура плавления уменьшается и равна 430-450 °С. Выше этой температуры сплавы находятся в жидком состоянии. Их планировали использовать в гомогенных реакторах, так как не нужны твэлы. Они не распухают и, следовательно, глубина выгорания довольно высока.
3. Сплавы U-Pu. Можно получить высокий КВ до 1,4, но только в БН. Однако, у сплавов U-Pu низкая радиационная стабильность.Сплавы, обладающие высокой радиационной стабильностью:
U – (15-20%) Pu – 10% Zr; U – (15-20% )Pu – 19% Zr; U – 20% Pu – 20% Мо Из-за большого количества добавок не используются в тепловых реакторах, так как требуется высокое обогащение, а глубина выгорания ограничена.
4. U – Pu – Fs.
Все сплавы, за исключением δ-Pu, не используются. Плутоний в ЯР используется в виде оксида!
2021 |
29 |
Керамическое ядерное топливо
Соединения урана и плутония с неметаллами: кислородом, азотом, углеродом; Основной вид топлива для различных реакторов;
Сравнение характеристик керамического ядерного топлива
2021 |
30 |