Газовое распухание оксидного ЯТ
Образуются газовые пузырьки двух
типов.
Видны межзеренные пузырьки (МЗП) по границам – G (неправильной формы, дают основной больший в распухание) и
внутризереннные пузырьки (ВЗП) расположенные в теле зерна – I (мелкие, круглые, находятся в равновесии с матрицей)
|
Поверхность излома |
|
облученного оксидного |
|
топливного сердечника. |
Схема структур (а) и распределение |
Распухание обусловлено: |
Образованием МЗП |
|
пористости (б) по радиусу сердечника твэла |
Радиационной ползучестью |
(цифры на рисунке означают размер |
периферии топлива |
равноосных зерен) |
61 |
2021 |
Факторы, влияющие на распухание оксидного ЯТ
1.Наличие пористости уменьшает распухание ЯТ
2.Выгорание ЯТ, чем больше выгорание, тем больше распухание. Между выгоранием и распуханием существует линейная зависимость.
3.Температура. Чем выше Т, тем больше распухание. Т зависит от линейной мощности твэла.
4.Величина нестехиометрии, чем больше отклонение от стехиометрии, тем выше диффузионная подвижность атомов ГПД, тем сильнее распухание.
Распухание оксидного ЯТ составляет 1,5 – 2 % на 1% выгорания тяжелых атомов.
2021 |
62 |
Выход ГПД из оксидного ЯТ под оболочку твэла
Выделение ГПД под оболочку твэла играет отрицательную роль, т.к. Xe и Kr имеют низкую теплопроводность и повышают термическое сопротивление зазора топливо-оболочка, что приводит к повышению рабочих температур топлива и ускорению негативных процессов в твэлах.
На выделение ГПД влияют:
1. Величина пористости таблеток топливного столба, чем она выше, тем больше выходГПД. 2.Температура, чем выше Т, тем выше выход ГПД.
1300К – 0.5% ГПД от всех ГПД 1300-1600 К – 10% 1600-1900 – 60%
>1900К – 95%
3.Размеры зерен, чем больше зерно, тем выше ГПД. На данный момент размер зерна 20-30 мкм.
4.Глубина выгорания топлива, чем больше, тем больше выход ГПД
5.Скорость делений, чем больше, тем меньше выход ГПД
6. Линейная мощность твэлов |
63 |
2021 |
Бескислородное керамическое ЯТ
Карбиды и нитриды урана.
Недостатки UO2:
Низкая теплопроводность => тонкие твэлы Низкая плотность топлива => больше АЗ и малый КВ.
Достоинства бескислородного топлива:
Высокая теплопроводность, до 10 раз выше, чем у UO2. Высокая плотность бескислородного ЯТ => выше КВ у БР
Недостатки бескислородного топлива:
Сложная технология получения При использовании карбидного топлива происходит
науглероживание оболочки твэла => снижение пластичности. Нитридное топливо при Т> 1700 °С дисcоциирует с образованием металлического урана
14N высокое сечение захвата тепловых нейтронов - 1,88 барн.
2021 |
64 |
Карбидное ЯТ
В системе уран–углерод существуют три карбидные фазы UC, U2C3 и UC2
Карбидн |
|
Парамет |
|
|
Тип |
ры |
Плотнос |
||
ая |
||||
решетки |
решетки, |
ть, г/см3 |
||
фаза |
||||
|
пм |
|
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
UC1± x |
ГЦК, тип |
а = 496,0 |
13,63 |
|
NaCl |
||||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
U2C3 |
ОЦК |
a = |
12,90 |
|
808,89 |
||||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
-UC2 |
Тетрагон |
a = 351,3 |
11,68 |
|
альная, |
c = 598,7 |
|||
|
тип CaC2 |
|
||
|
|
|
||
-UC2 |
ГЦК, тип |
a = 547,0 |
11,67 |
|
KCl |
||||
|
|
|
||
|
|
|
|
В системе Pu–C существуют четыре карбидные фазы: Pu3C2, PuC, Pu2C3 и
PuC2
2021 |
65 |
Производство карбидного ЯТ
UO2 C 1800 C UC O2
UO2 3C 1800 C UC2 CO2
2U (метал.) 3Н 2 180 200 С 2UH3 470 500 C U (порошок) 3Н 2
U (порошок) СН 4 300 600 С UC 2H2
Получение сложно. Порошок UС прессуют и спекают аналогично таблеткам оксидного топлива, но при более высоких температурах Т = 1800 – 2000 °С Диаметр таблеток UC больше, чем UO2 т.к. теплопроводность карбида урана
выше.
Для БР представляют интерес смешанные карбиды U и Pu: (U,Pu)C, (U,Pu)C2
Практический интерес представляет PuC: ГЦК-решетка и Тразложения = 1650 °С
UC, PuC – имеют более высокое содержание U в единице объема, чем у UC2 и PuC2 и рассматриваются как перспективное топливо.
2021 |
66 |
Свойства карбидного ЯТ
Теплопроводность UC
Если T оболочки твэла 700˚С,
Теплопроводность (UyPu1-y)C то при использовании гелиевого подслоя Tцентра
1400˚С, если натриевый подслой то 1000˚С.
Топливный столб из МОХ- топлива начинает плавиться при линейной мощности ql = 650 Вт/см, а в случае
|
карбидного топлива при |
|
2021 |
ql = 1300 Вт/см |
67 |
|
Свойства карбидного ЯТ
Механические свойства.
Имеют более высокую твердость и прочность, чем оксиды, что ухудшает механическую совместимость топлива с оболочкой, когда вследствие распухания топливо вступает в контакт с оболочкой.
Могут способствовать разрушению оболочки
Поведение карбидного ЯТ под облучением
Изменение структуры.
Из-за высокой λ радиальные градиенты температур ниже, чем в оксидном топливе. Поэтому существенной перестройки, как в оксидном ЯТ, не происходит. В центре образуется пористость, по краям зерен образуются поры и наблюдается увеличение размеров зерен.
Распухание.
∆V/V на 1% выгорания |
0,5% |
1,0% |
2-3% |
|
|
|
|
Т, ºС |
900-1000 |
1100-1200 |
1300-1400 |
|
|
|
|
Выделение ГПД при выгорании карбидного топлива.
Карбидное топливо лучше удерживает ПД, чем оксидное. При выгорании 10% т.а. выход ГПД ~ 20%, что существенно ниже, чем у оксидного. Это положительный фактор при использовании карбидного топлива.
2021 |
68 |
Давление азота
а– 10 Па; б – 0.1 МПа;
в– 0.5 МПа
Нитридное ЯТ
Существует единственный реактор, работавший на нитридном топливе - БР – 10.
Использование в только в БН т.к. азот имеет высокое сечение захвата тепловых нейтронов - 1,88 барн.
Существуют соединения: UN, U2N3, UN2, PuN. Интерес
представляют только UN т.к. имеет высокую термохимическую стабильность, но при T > 1800˚ С начинает диссоциировать.
С точки зрения реакторов на быстрых нейтронах интерес представляют смешанные нитриды (U,Pu)N
|
|
Параметр |
Температура |
|
|
Фаза |
Тип решётки |
решётки, |
плавления/термического |
|
|
|
|
пм |
разложения, K |
|
|
|
|
|
|
|
|
UN |
NaCl |
488,9 |
3120 (плавл. при 2.5 атм. N2) |
|
|
3103 (терм. разл. при 1 атм. N2) |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
α-U2N3+x |
Mn2O3 |
1068,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(UN1,54-1,75) |
|
|
1623(терм. разл. при 1 атм. N2) |
|
|
β-U2N3-x |
La2O3 |
369,6 |
|
|
|
|
|
|
|||
(UN1,45-1,49) |
гексагональная |
с/a=1,58 |
|
|
|
UN2 |
CaF2 |
521 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
PuN |
NaCl |
490,49 |
2843(терм. разл. при 1 атм. N2) |
|
69 |
|
|
|
|
|
|
U Pu N |
2021 |
|
3053(терм. разл. при 1 атм. N ) |
|
Производство нитридного ЯТ
Схема карботермического метода |
Схема метода получения |
|
мононитридов металлов |
||
|
||
2021 |
70 |