Ядерное топливо т

В настоящее время отсутствует единая точка зрения на механизмы коррозионного взаимодействия топлива и продуктов деления с оболочкой из аустенитной стали, что отражает сложный характер физико-химических процессов и их зависимость от многих факторов. Описанные в литературе механизмы коррозии основываются на различных предположениях и носят полуколичественный характер.

31.10. Радиационное распухание и выделение газообразных продуктов деления

Основными процессами, определяющими режим работы твэла, являются распухание топлива в результате накопления твердых («твердое» распухание) и газообразных (газовое распухание) продуктов деления, а также выделение ГПД из топлива под оболочку твэла. Распухание топлива приводит к увеличению диаметра сердечника твэла, при этом вначале выбирается зазор сердечник– оболочка, а затем увеличивается диаметр оболочки, что может существенно ухудшить тепловой режим работы твэла. В то же время выделение ГПД из топлива повышает давление газа под оболочкой, дополнительно нагружая последнюю, и увеличивает термическое сопротивление зазора сердечник–оболочка, что повышает температуру топлива и влияет на процессы массопереноса в объеме твэла.

31.10.1. Распухание из-за накопления твердых ПД

«Твердое» распухание топлива обусловлено накоплением твердых продуктов деления, включая Cs, Rb, I и Te, которые хотя и находятся в паровой фазе, но могут входить в состав твердой фазы при высоком кислородном потенциале.

Скорость «твердого» распухания не зависит от температуры и линейно возрастает с увеличением выгорания. Она может изменяться в довольно широких пределах от 1,3 до 0,2–0,3 % на 1 % выгорания в зависимости от исходной плотности топливных таблеток и доли летучих продуктов деления типа Cs, выходящих из зерен топлива. Наличие технологических пор, аккумулирующих продукты деления, и способных компенсировать распухание матрицы топлива, проявляется в снижении величины и темпа твердого распухания при малых выгораниях.

341

На рис. 31.94 показана в сопоставлении с экспериментальными результатами расчетная зависимость «твердого» распухания топлива от выгорания, полученная на образцах оксидного топлива с плотностью 100, 96 и 88 % ТП, облученных до выгорания 35 · 1020 дел/см3 в диапазоне температур 750–2100 °С. С увеличением начальной пористости распухание топливных сердечников уменьшается, а относительно низкий темп распухания (0,05–0,08 % на 1020 дел/см3) при выгорании (13–19) · 1020 дел/см3, которое соответствует заполнению практически всех исходных пор, возрастает до 0,7 % на 1020 дел/см3. В среднем принято считать, что вклад твердого распухания в объемное распухание МОХ-топлива твэлов быстрых реакторов, составляющее в среднем около 1 % на 1% выгорания тяжелых атомов, не превышает 0,4 %.

Рис. 31.94. Сравнение зависимостей «твердого» распухания UO2 от выгорания, полученных расчетным путем (линии для разных значений исходной плотности ρ0 в % от ТП) с экспериментальными результатами (значки) в различных диапазонах

температуры облучения и плотности образцов ρ (в % от ТП): 1 – 0,7 % на 1020 дел./см3, ρ0 = 100 %; 2 – ρ0 = 96 %; 3 – ρ0 = 88 %

342

31.10.2. Распухание из-за накопления газообразных ПД

Миграция газообразных продуктов деления. Накопление ГПД приводит к газовому распуханию ядерного топлива. «Газовое» распухание топлива и выделение из него ГПД непосредственно связаны с миграцией ГПД в топливе. Существуют несколько

механизмов миграции, а именно:

-в виде одиночных атомов (осколков деления);

-в виде одиночных атомов, малых комплексов атомов и вакансий в концентрационном поле, в соответствии с законами диффузии;

-в виде одиночных атомов и пузырьков вместе с протяженными структурными элементами топлива (границами зерен и субзерен, дислокациями);

-в составе пузырьков разного размера и формы в температурном поле;

-под воздействием быстрых частиц не связанная с температурой и определяющая подвижность, а также выход ГПД из топлива при низких температурах.

Другие виды миграции зависят от общего среднего уровня и величины градиента температуры, плотности, структуры топлива, химического состава, примесей, глубины выгорания топлива, линейной мощности твэла и т.д.

Наибольшее количество материала по «газовому» распуханию оксидного топлива и выделению из него ГПД накоплено для диоксида урана и будет в основном рассматриваться при дальнейшем изложении. Немногочисленные экспериментальные результаты по МОХ-топливу показали, что протекающие в нем процессы подобны процессам в UО2 и подчиняются аналогичным закономерностям.

Причиной «газового» распухания является образование в топливе газонаполненных пор и пузырьков, что вызывает увеличение его объема.

Воблученном оксидном топливе было установлено присутствие пузырьков двух типов (рис. 31.95).

Многочисленные внутризеренные пузырьки (ВЗП), в которых давление газа, составляющее несколько десятков МПа, уравновешивается поверхностным натяжением топливной матрицы. Они

343

новной вклад в распухание топлива. Процессы зарождения и роста ВЗП и МЗП носят различный характер. При облучении топлива в реакторе ВЗП образуются только после некоторого инкубационного периода. Так, при 1000 °С этот период длится до выгорания 3 · 1019 дел/см3. Увеличение температуры облучения способствует уменьшению концентрации пузырьков и увеличению их размеров. С ростом скорости выгорания количество ВЗП увеличивается, а их размеры уменьшаются. Концентрация ВЗП и их размеры изменяются мало (во времени) при увеличении дозы облучения. Зарождение ВЗП может происходить как гомогенным путем, так и гетерогенным на треках осколков деления. При взаимодействии ВЗП с осколком деления мелкие пузырьки разрушаются. ГПД, находящиеся в пузырьках, способны перерастворятся из пузырьков в решетку топлива и обратно в результате воздействия как высоких температур, так и осколков деления.

МЗП небольшого размера имеют хорошо выраженную чечевицеобразную форму, они растут до больших размеров (несколько микрометров) в топливе с равноосной структурой, при этом давление в пузырьках мало. Число и размер МЗП в оксидном топливе с равноосной структурой увеличиваются с ростом выгорания и температуры. При увеличении температуры МЗП появляются при меньших выгораниях: около 2 · 1020 дел/см3 при 1000 °С и менее

344

4 1019 дел/см3 при 1750 °С. Схема, показывающая размер и распределение по структурным зонам пузырьков ГПД в оксидном топливе, изображена на рис. 31.96.

Рис. 31.96. Схема, показывающая размер и распределение пузырьков газообразных продуктов деления в топливном оксидном сердечнике:

а– центральная область (все крупные пузырьки отрываются от дислокаций,

анекоторые из крупных на границе зерен при движении к центру способствуют образованию столбчатых кристаллов); б – средняя область (крупные пузырьки под воздействием температурного градиента покида-

ют дислокации и собираются на границе иногда в крупные скопления); в – область около оболочки (пузырьки отдельно или совместно мигрируют с дислокацией); г – граница зерна

Миграция ГПД и их накопление на границе зерен топлива осуществляется путем выхода ВЗП под действием градиента температуры, за счет захвата ГПД движущейся границей зерна или в результате диффузии атомов ГПД к границе зерна.

Газ, содержащийся в МЗП, подвержен радиационному перерастворению, также как и газ в ВЗП, с той только разницей, что крупные МЗП не могут быть уничтожены одним осколком деления. Возможен также и обратный процесс – «выпрыгивание» газа в МЗП при прохождении осколка через пузырек или вблизи него путем прямого выбивания атомов газа, растворенных в решетке топлива, или испарением в объем пузырька части материала топлива, содержащего ГПД.

Увеличение числа и размеров МЗП на границе зерен топлива приводит к их слиянию и образованию системы взаимосвязанных каналов на плоских границах зерен и туннелей на линейных (трой-

345

ных) границах (рис. 31.97). Это позволяет ГПД свободно выходить наружу под оболочку твэла, однако распухание топлива при этом может продолжаться.

Факторы, влияющие на газовое распухание. Одним из важных факторов является температура. При температу-

топливного сердечника в виде отдельных атомов и мелких пузырьков, не давая заметного вклада в распухание. Более того, в этом температурном диапазоне имеет место уплотнение топлива за счет спекания мелких пор. Появившиеся МЗП растут при 1200–1700 °С (в зоне крупных равноосных зерен, см. рис. 31.56), вызывая интенсивное распухание топлива; при этом скорость суммарного распухания в результате образования и накопления ГПД начинает преобладать над уплотнением. При очень высоких температурах, превышающих 1700 °С (зона столбчатых зерен, см. рис. 31.56) число газовых пузырьков существенно снижается и значительная доля ГПД выходит из топлива (рис. 31.98).

Рис. 31.98. Зависимость измеренных плотности (сплошная линия) и пористости (штриховая линия) таблеток из UO2 от средней по времени облучения температуры их центра:

1 – сплошные таблетки; 2 – таблетки с осевой полостью

346

Таблетки с осевой полостью распухают сильнее сплошных, изза наличия дополнительной, свободной от нагрузок, поверхности. Исключение из суммарного эффекта вклада «твердого» распухания показывает характер изменения пористости оксидного топлива от температуры облучения (штриховые линии).

С увеличением выгорания растет концентрация ПД в топливе, что оказывает значительное влияние на процесс распухания. На рис. 31.99 показано одновременное влияние на распухание МОХтоплива температуры и выгорания, из чего следует, что распухание пропорционально выгоранию и существенно возрастает с увеличением температуры центра таблетки.

Рис. 31.99. Влияние температуры и выгорания на распухание смешанного оксидного топлива:

◊ – Тmax < 2500 ºC;– Тmax < 1700 ºC;– плавление

Зависимость объемного распухания от фактической исходной плотности оксидного топливного сердечника твэла изображена на рис. 31.100. Пористость, образующая дополнительный объем, заполняемый распухающим топливом, снижает напряжения и деформации в оболочке до выгораний, при которых распухание меньше исходной пористости топлива. В такой ситуации анализ радиационного поведения топлива оказывается важным для выбора начального зазора топливо-оболочка, оценки его изменения в процессе работы, изучения накопления ПД, выходящих в зазор из топлива, а так же определения давления и теплопроводности смеси газов в зазоре, так как от этого зависит температурный режим топлива.

Распределение структуры и пористости по радиусу облученного оксидного сердечника твэла представлено на рис. 31.101, из которого четко видно, что «газовое» распухание топлива однозначно

347

связано с поведением ГПД в различных структурных зонах сердечника и динамикой их формирования при облучении.

Рис. 31.100. Изменение объема оксидного топлива при высоких выгораниях в зависимости от исходной пористости материала:

– таблеточные сердечники; – втулочные сердечники; – виброуплотненные гранулы; закрашенные – облучение до 100 ГВт · сут./т в реакторе на быстрых нейтронах; светлые – облучение до 110–140 ГВт · сут./т в реакторе

на тепловых нейтронах

Рис. 31.101. Схема структур (а) и распределение пористости (б) по радиусу сердечника твэла (цифры на рисунке означают размер равноосных зерен)

31.10.3. Факторы, влияющие на выход газообразных продуктов деления

Выход ГПД из оксидного топлива характеризуется сильной температурной зависимостью, которая выражается следующим образом:

348

В процессе деления образуется спектр ГПД с различными периодами полураспада: от 137Xe с периодом полураспада 229,4 с до долгоживущих нуклидов 85Kr с τ1/2 = 10,73 года, стабильных нуклидов 87Kr, 136Xe и др. Кроме того, предшественниками ГПД могут быть такие легколетучие элементы, как I, Te, Br, Rb, которые имеют отличные от нейтральных газов химические свойства и, соответственно, растворимость и коэффициент диффузии в топливе.

Период полураспада, естественно, сказывается на выходе нуклида. Короткоживущие нуклиды успевают выйти только из поверхностных слоев, тогда как стабильные и долгоживущие – из всего объема зерна (или образца). Поэтому выход последних обычно преобладает.

Повышение плотности топлива снижает абсолютный выход ГПД вследствие уменьшения количества пор, в которых ГПД мигрируют значительно быстрее, чем в матрице топлива.

Образование в оксидном топливе на границах зерен взаимосвязанных каналов и туннелей, о которых говорилось выше и которые резко ускоряют выход ГПД из топлива, происходит при достижении определенного критического выгорания. Оно наступает раньше в крупнозернистых таблетках, однако выход ГПД из мелкозернистого топлива на закритической стадии выше, чем из крупнозернистого. Вследствие этого выход ГПД из мелкозернистого топлива в конечном итоге оказывается большим, чем из крупнозернистого (рис. 31.102).

После достижения критического выгорания выход короткоживущих ГПД резко увеличивается. В то же время до достижения критического выгорания относительный выход короткоживущих нуклидов ГПД (τ1/2 < 5сут.) практически не зависит от размера зерна и одинаков для образцов как с мелким (d = 5 10 мкм), так и крупными (d = 20 40 мкм) зерном.

349

Характер выхода ГПД из топлива в процессе облучения изображен на рис. 31.103, откуда следует, что по достижении определенного критического выгорания, величина которого зависит от температуры, наблюдается резкий всплеск выхода ГПД, что соответствует выбросу накопленных в МЗП газообразных продуктов деления при образовании систем взаимосвязанных каналов и туннелей. При закритическом выгорании выход ГПД плавно увеличивается по мере повышения выгорания.

С увеличением скорости деления скорость выхода ГПД возрастает. Изменение режимов облучения вызывает при газовы-

делении соответствующие переходные процессы, которые, однако, не подчиняются простым закономерностям, так как при этом происходит не только изменение концентрации диффундирующих ГПД и температуры, но и изменение диффузионной среды.

Рис. 31.103. Модельный расчет выделения газообразных продуктов деления из оксидного топлива в зависимости от выгорания при различных температурах (скорость делений 1013 дел./см3 · с, градиент температуры 1000 К/см, размер зерен 10 мкм, давление 13,8 МПа)

350