Ядерное топливо т

Коэффициент теплопроводности UC2 с плотностью 100 % ТП между 300 и 2000 °C имеет следующую температурную зависимость:

Карбид U2C3 со 100 % плотностью и содержащий 15 об.% UC2 имеет между 27 и 1750 °C коэффициент теплопроводности, описы-

где λм – величина коэффициента теплопроводности образца с пористостью P = 1 – ρ/ρтеор, а λТП – коэффициент теплопроводности образца с плотностью 100 %.

бенно при низкой темпе-

371

ратуре; дальнейшее увеличение концентрации кислорода мало сказывается на уменьшении теплопроводности.

Монокарбид плутония PuC имеет по сравнению с UC более низкую теплопроводность. Его введение в UC снижает теплопроводность последнего, особенно при температуре ниже 1000 °C. Для смешанного карбида (U0,8 Pu0,2)C со 100 % плотностью коэффициент теплопроводности в интервале 500–1900 °C описывается выражением:

где T – температура в °С.

В графическом виде обобщенные температурные зависимости коэффициентов теплопроводности простых и смешанных карбидов урана и плутония имеют вид, показанный на рис. 32.15, где:

UC: λ = 21,7 – 3,01 · 10−3 · T + 3,61 · 10−6 · T2 (50 < T < 700 °C);

λ = 20,2 + 1,48 · 10−3 · T (700 < T ≤ 2300 °C);

(U0,8 Pu0,2) C: λ = 17,5 – 5,65 · 10−3 · T + 8,14 · 10−6 · T2 (50 < T < 500 °C);

λ = 12,76 + 8,71 · 10−3 · T – 1,88 · 10−6 · T2 (500 < T ≤ 2300 °C);

PuC: λ = 7,45 – 4,04 · 10−3 · T + 1,2 · 10−5 · T2 (100 < T ≤ 1300 °C).

Рис. 32.15. Теплопроводность UC, PuC и (U,Pu)C в зависимости от температуры (а) и содержания плутония в (U,Pu)C (б)

372

висимости коэффициента диффузии урана в околостехиометрическом UC, полученные в разных работах.

Диффузия урана в UC описывается следующими уравнениями: для UC0,96

DU = 3,6 · 10−2 · exp[(–460±12,5)/RT] (1700–2300 °С), (32.16) для UC1,07

DU = 4,0 · 104 · exp[(–453±12,5)/RT] (1700–2050 °С), (32.17) для UC1,17

DU = 9,0 · 102 · exp[(–730±25)/RT] (2050–2300 °С). (32.18)

Энергия активации диффузии урана QU линейно увеличивается от ~370 кДж/моль при C/U = 0,93 до ~730 кДж/моль при C/U = 1,07 и далее остается постоянной (рис. 32.17). В то же время из рис. 32.17 видно, что коэффициент диффузии урана в UC уменьшается приблизительно на три порядка при увеличении отношения C/U от 0,93 до 1,07, достигает минимума при этом значении, а затем увеличивается при дальнейшем росте концентрации углерода.

Диффузия урана в UC заметно ускоряется при введении в карбид таких элементов, как W, Fe, Ni, Ta, и V, в количестве более 120 ppm. Наличие азота в карбиде урана, который замещает более 50 % атомов углерода, снижает скорость диффузии урана.

Рис. 32.17. Энергия активации QU (а) и коэффициент диффузии урана DU [см2/с]

(б) в зависимости от отношения C/U

Диффузия актиноидов в карбидах. Замена 5 % атомов углерода атомами кислорода или азота не оказывают влияния на подвижность плутония в уран-плутониевом карбиде (U0,85 Pu0,15)C. При высоких температурах диффузия плутония зависит от отношения

374

C/(U+Pu). Сравнительные данные по диффузии плутония в (U0,85 Pu0,15)C и урана в UC приведены на рис. 32.18.

Ионы Am и Pu диффундируют в карбиде UC1,07 быстрее, чем урана, в то время как ионы Pa имеют меньшую подвижность. Это явление может быть объяснено различными размерами ионных радиусов: ионы Pa несколько больше, чем Pu и Am, а последние меньше радиуса иона урана.

Зернограничная диффузия. Диффузия урана по границам зерен в карбидах урана идет в 3–5 раз быстрее по сравнению с объемной диффузией. Этот вид диффузии замедляется при наличии примесей.

Зернограничная диффузия сильнее проявляется и идет быстрее в достехиометрическом, чем в стехиометрическом или застехиометрическом UC, а энтальпия активации для зерно-граничной диффузии урана в UC сравнима с энтальпией активации диффузии углерода, но она составляет около 55 % от энтальпии активации объемной диффузии.

Диффузия углерода в карбидах. Коэффициенты диффузии углерода в UC1±x в зависимости от обратной температуры показаны на рис. 32.19. Уменьшение содержания углерода по сравнению со стехиометрическим составом приводит к более низким значениям коэффициента диффузии углерода, а повышение содержания углерода – к более высоким.

375

где DC в см2/с.

Значения эффективной энергии активации диффузии углерода QС в UC1±x в зависимости от содержания углерода изображены на рис. 32.20. Они имеют постоянные значения как в достехиометрической (~385 кДж/моль), так и в застехиометрической (~225 кДж/моль) областях составов. При стехиометрическом составе монокарбида эффективная энергия активации QС изменяется скачкообразно.

При увеличении концентрации азота в UC коэффициент диффузии углерода уменьшается в несколько раз.

Таким образом, диффузия компонентов топлива и продуктов деления в кристаллической решетке ядерного топлива могут при-

376

водить к локальному изменению состава и таким процессам, как ползучесть, рост зерен, уплотнение и распухание, а также выделение ГПД путем переноса вещества и, следовательно, к непосредственному влиянию на поведение топлива при облучении. Знание законов диффузии позволяет предупреждать нежелательные изменения в изделиях, происходящие под влиянием высоких температур, облучения, механических нагрузок и, и т.д.

Рис. 32.20. Эффективная энергия активации QC диффузии

углерода в UC1±x в зависимости от

отношения C/U

Подводя итоги можно отметить, что на диффузию урана в карбидах основное влияние оказывает температура, отношение C/U и наличие примесей. Так, коэффициент диффузии U минимален в стехиометрических карбидах и карбонитридах. Диффузия урана по границам зерен идет значительно быстрее, чем по объему. Плутоний диффундирует быстрее, чем уран при прочих равных условиях. Скорость диффузии углерода минимальна в достехиометрических карбидах, а так же в карбонитридах.

32.2.4. Испарение карбидного топлива

Величины равновесных давлений пара и его компонентов над топливом определяют многие процессы, происходящие при выгорании в условиях высоких температур. В первую очередь – это перестройка структуры и перераспределение компонентов топлива за счет механизма испарение–конденсация. Основными компонентами пара над карбидами урана являются ионы U+ и в значительно меньшей

377

Парциальное давление урана pU над карбидами урана в зависимости от температуры описывается следующими уравнениями:

где pU в МПа.

Наиболее важными фактами являются то, что в достехиометрической области составов парциальное давление урана наибольшее, и в области UC–UC2 при низких температурах испаряется в основном уран, что может приводить к изменению состава топлива.

378

32.3.Влияние облучения на свойства карбидного топлива

32.3.1.Радиационная ползучесть

Пластичность ядерного топлива и, следовательно, его ползучесть являются важными факторами, влияющими на размерную стабильность и целостность топливных сердечников в процессе облучения. Радиационная ползучесть керамического топлива определяет низкотемпературную деформацию под воздействием нейтронного потока, скорости делений и выгорания при реальных значениях напряжения и температуры. Имеющиеся данные показывают, что скорость ползучести карбидов урана меньше, чем оксидов. Это хорошо согласуется с предположением, что радиационная ползучесть топлива с высокой теплопроводностью определяется термическими пиками.

Результаты различных исследований ползучести UC, (U, Pu)C и UN при облучении,

нормализованные к

где Ω – атомный объем в см3, а k – постоянная Больцмана в Дж/К.

379

Исследование ползучести UO2 и UC при высоких выгораниях (2,4 · 104 МВт · сут/т) и температурах 450 и 800 °C показало, что после высокой начальной скорости ползучести номинальная установившаяся скорость ползучести UC достигалась при выгорании 140 ГВт · сут/т, и она была в восемь раз ниже соответствующей величины для UO2.

32.3.2. Влияние облучения на диффузионные процессы

Диффузия в твердых телах обычно ускоряется нейтронным облучением вследствие увеличения концентрации дефектов решетки. Этот эффект значительно усиливается в ядерном топливе вследствие возникновения термических пиков, вызываемых осколками деления.

Облучение при температуре ниже 1000 °C значительно увеличивает подвижность атомов U. Коэффициент диффузии U в UC, облученном при Т < 1000 °C имеет значения от 1,3 до 4,5 · 10−17 см2/с и не зависит от температуры (рис. 32.23). При температуре выше 1500 °C подвижность атомов урана определяется термической диффузией.

Рис. 32.23. Обобщенные результаты по термической и радиационной диффузии урана в карбидном топливе, нормализованные к скорости делений

F= 3,5 · 1012 дел./(см3 · с). Данные для (U0,97Pu0,03)C нормализированы

кскорости делений F = 1,9 · 1013 дел./(см3 · с)

380