|
|
|
Рис. 34.21. Экспериментальная |
|
зависимость изменения пластичности |
Рис. 34.20. Механические свойства |
дисперсной композиции 18,7 мас. % |
композиции UO2–Al |
UО2−Al с алюминиевой оболочкой |
|
от облучения |
При высоких температурах (> 500 °С) UO2 реагирует с алюминием с образованием интерметаллидов. В условиях облучения взаимодействие может происходить и при более низких темпера-
турах. Так, при 600 °С UAl4 образуется за 30 ч, при 500 °С – за 180 ч (на 50–70 %), а при 300 °С – за 750 ч. Очевидно, что чем продолжительнее облучение, тем больше степень взаимодействия.
На рис. 34.23 схематически показана последовательность образования продуктов реакции в процессе облучения композиции
|
UO2−Al в виде таблеток диаметром |
Рис. 34.22. Экспериментальная |
|
40 мм. Температура, определенная |
|
зависимость предела прочности |
|
|
|
расчетами, в центре таблеток со- |
пластин от твердости оболочки |
|
ставляла 300 °С и снижалась к пе- |
для пластин с алюминиевой |
|
риферии. |
оболочкой и различными |
|
композициями сердечника |
|
|
|
511 |
|
Рис. 34.23. Схематическое изображение последовательности образования слоев в таблетках UO2-Al в процессе выгорания топлива. Максимальная температура в центре таблеток составляет 300 °С
Как видно на рис. 34.23, таблетки в результате взаимодействия UO2 с алюминием приобрели сложную структуру, состоящую из нескольких концентрических слоев, имеющих различный фазовый состав. Наиболее полно он изображен на крайнем правом рисунке. Внешний слой состоит из UO2 и UAl3 и очень пластичен. Следующий слой является более хрупким и содержит главным образом UAl3. Затем следует слой из UAl3, отличающийся металлическим блеском, за ним располагается слой UAl3+UAl4. Центральная часть таблетки состоит целиком из UAl4. Увеличение объема дисперсной композиции в результате взаимодействия ее компонентов доходило до 10 %. Время облучения таблеток достигало 10 месяцев, а максимальное выгорание составляло 22 % от всех атомов урана.
Типичные характеристики реакторов, использующих дисперсное топливо UО2-Al, приведены в табл. 34.9.
Дисперсная композиция U3О8-Al. Композиция U3O8-Al нашла практическое применение в ряде реакторов с высокой энергонапряженностью активной зоны вследствие того, что этот оксид более стабилен в контакте с алюминием, чем UO2, однако плотность U3O8 ниже плотности диоксида урана.
При температурах выше 600 °С U3O8 реагирует с алюминием по реакциям:
3U3O8 + 4Al→9UO2 + 2Al2O3, 3UO2 + 16Al→3UAl4 + 2Al2O3.
При нагреве до температуры плавления алюминия и выше наряду с UО2 образуются также другие интерметаллидные соединения:
3U3O8 + 34Al→9UAl2 + 8Al2O3, 3U3O8 + 43Al→9UAl3 + 8Al2O3, 3U3O8 + 52Al→9UAl4 + 8Al2O3.
512
Реакция алюминия с U3O8 протекает с незначительным изменением объема (рис. 34.24), что имеет важное значения для сохранения стабильности твэлов в случае их локального перегрева или случайного подъема температуры.
При облучении пластинчатых твэлов с композицией U3О8−Al при расчетной температуре в центре 80 °С до выгораний 16,2– 57,3 % они заметно уменьшали свои размеры (на ~3 % по толщине и ~0,1 % по ширине). Это явление наблюдалось на начальной стадии выгорания (менее 16,2 %). При более глубоких выгораниях дальнейшее уменьшение размеров твэлов практически отсутствовало.
Рис. 34.24. Изменение объема твэлов пластинчатого типа из смесей: 1 – Al – 52,3 мас.%UО2; 2 – Al – 55,7 мас.% U3О8
Под облучением частицы U3O8 спекаются и начинают взаимодействовать с алюминием уже при низких выгораниях. В первую очередь поглощаются мелкие растянутые частицы U3O8, которые сначала превращается в UO2, а затем взаимодействует с алюминием, образуя интерметаллидные соединения. Дальнейшее облучение приводит к образованию под воздействием газообразных продуктов деления пор, размеры которых постепенно возрастают. Проведенные исследования показали, что объемное содержание топливной фазы в композиции U3О8−Al не должно существенно превышать 40 % вследствие появления заметных объемных изменений из-за ее взаимодействия при облучении с алюминием.
Некоторые характеристики реакторов и используемых в них дисперсных твэлов с композицией U3О8−Al приведены в табл. 34.10.
34.6.2. ДЯТ с матрицей из магния
Магний1 и уран не растворяются друг в друге ни в твердом, ни в жидком состояниях (рис. 34.25). Поэтому дисперсные системы магний–уран и маг- ний–сплавы урана невозможно получить методами плавки и литья. Обычно их приготовляют методами порошковой металлургии при температурах ниже 650 °С, так как в системе U−Mg при более высоких температурах магний плавится. Таблетки изготовляют холодным прессованием и последующим спеканием при температурах ниже 625 °С
Рис. 34.25. Система уран–магний или горячим прессо- ванием. Стержни
можно получать выдавливанием смесей порошков при температурах 550–600 °С.
Другими важными свойствами магния являются высокая радиационная стойкость (примерно такая, как у алюминия) и более низкое, чем у алюминия, сечение захвата тепловых нейтронов. К недостаткам магния как материала матрицы следует отнести его низкую прочность, особенно при повышенных температурах.
Для обеспечения радиационной стойкости дисперсных композиций с матрицей из магния важную роль играет радиационная
1 Физическое материаловедение. – М.: НИЯУ МИФИ, 2012, Т. 6. П. 23.2. 516
стойкость частиц топлива и прочностные характеристики оболочки твэла. Так, при облучении композиций уран-магний в оболочке из алюминия увеличение объема достигало 4,41 и 10,2 % при выгораниях 1 и 3 ГВт · сут./т U соответственно вследствие низкой радиационной стойкости урана, а также недостаточной прочности оболочки и матрицы. Поэтому в дисперсных композициях с магниевой матрицей в качестве топлива обычно используют радиационно стойкие γ-сплавы урана (например, U – 9 % Mo) или диоксид урана, а для оболочек твэлов – прочные сплавы циркония или корро- зионно-стойкую сталь, которые способны сдерживать распухание. Для повышения прочности матрицы иногда вместо чистого магния берут какой-либо его прочный сплав (например, сплав с добавкой кремния).
На рис. 34.26 приведены результаты изменения диаметра трубчатого твэла Обнинской АЭС с дисперсной композицией (U−Mо)−Мg и оболочкой из коррозионно-стойкой стали в зависимости от степени выгорания. Максимальная температура на внешней оболочке составляла 360–370 °C, а на внутренней – 330 °С.
Из рисунка видно, что изменение диаметра даже при глубоких выгораниях является незначительным и стремится к постоянному значению.
Подобные твэлы успешно эксплуатируются на БАЭС с проектным выгоранием 11,8 МВт · сут./т U при обогащении изотопом 235U, равным 5 %. Опыт их эксплуатации показывает возможность достижения более глубоких выгораний, превышающих проектное на 60–70 %.
Металлографическое исследование отработанных твэлов пока-
|
зало плотное прилегание магние- |
|
|
вой матрицы к частицам топлива |
|
|
и оболочкам. В частицах сплава |
|
|
U – 9 % Мо обнаружена четко |
|
|
выраженная текстура, возникаю- |
|
|
щая при их получении, и незна- |
|
|
чительная |
мелкая пористость; |
|
|
вторичные фазы и взаимодейст- |
|
|
вие с матрицей отсутствовали. |
|
|
|
Некоторые характеристики ре- |
|
|
акторов, а также условия работы |
Рис. 34.26. Экспериментальная |
|
дисперсных твэлов с матрицей из |
|
зависимость изменения диаметра |
|
магния |
представлены |
в |
|
235 |
|
|
|
|
твэла от степени выгорания U |
табл. 34.11.
34.6.3. ДЯТ с матрицей из аустенитной стали
Коррозионно-стойкая сталь1 обладает удачным сочетанием многих ценных свойств: высокой коррозионной стойкостью в воде и других теплоносителях, жаропрочностью и хорошей технологичностью. Она совместима до высоких температур с различными видами ядерного топлива. К недостаткам коррозионно-стойкой стали, как материала матрицы, следует отнести большое сечение захвата тепловых нейтронов и охрупчивание в процессе облучения. В качестве делящейся фазы в композициях с аустенитной сталью нашли применение UО2, UN, UС и некоторые другие виды керамического топлива. Дисперсные композиции на основе аустенитной стали обычно применяют при высоких температурах.
Дисперсная композиция UO2 – коррозионно-стойкая сталь. Диоксид урана стехиометрического состава обладает хорошей совместимостью со сталью и не взаимодействует с ней вплоть до ее температуры плавления.
Для приготовления качественных композиций UO2 – аустенитная сталь необходимо использовать порошки диоксида урана, имеющие одинаковые размеры частиц, плотность и стехиометрию. Форма частиц должна максимально приближаться к сферической. Желательно, чтобы их состав находился вблизи стехиометрического значения, что снижает возможность протекания реакции взаимодействия частиц с матрицей. Однако в некоторых случаях целесообразно использовать порошок диоксида урана с отношением кислород/металл – 2,08, частицы которого обладают более высокой пластичностью.
Размеры частиц порошка обычно находятся в пределах 50–200 мкм и их необходимо согласовывать с толщиной активного слоя (содержащего непосредственно дисперсную композицию топливный материал–матрица) твэла. Наряду с этим, частицы порошка должны иметь необходимую механическую прочность, чтобы не раздавливаться при технологических операциях, и обладать достаточной пористостью для аккумуляции продуктов деления, образующихся в процессе выгорания топлива.
1 Физическое материаловедение. – М.: НИЯУ МИФИ, 2012, Т. 6. П. 25.7.
Для изготовления дисперсных композиций используют порошки аустенитных сталей или же более пластичные смеси порошков металлов, входящих в состав сталей в соответствующих пропорциях. Обычно в порошки вводят также выгорающие поглотители нейтронов в виде карбида бора В4С, боридов циркония или ниобия. Компактные изделия из дисперсных смесей порошков получают методом предварительного уплотнения путем прессования или прокатки и последующего спекания, совместным выдавливанием дисперсной
композиции с заготовкой оболочки твэла, горячим прессованием и т.д.1
Для дисперсных композиций UO2 – коррозионно-стойкая сталь, приготовленных методами пластической деформации, характерна значительная анизотропия свойств. Так, при 25 °С пределы прочности дисперсной композиции с 30 % UO2, полученной прокаткой, составляют в направлении прокатки 408 МПа, а в поперечном направлении – 183 МПа. С повышением температуры анизотропия свойств сохраняется. Степень обжатия при прокатке пластин мало влияет на их прочность.
а б
Рис. 34.27. Прочность керметов UO2–коррозионно-стойкая сталь в зависимости от
температуры (а) и содержания UO2 (б)
1 Физическое материаловедение. – М.: НИЯУ МИФИ, 2012, Т. 5. П. 18.6.
