Ядерное топливо т

34.6.5. ДЯТ с матрицей из тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы представляют значительный интерес для высокотемпературных ЯЭУ вследствие их высоких температур плавления и большой жаропрочности1. В качестве топливных материалов в дисперсных композициях на основе тугоплавких металлов целесообразно использовать оксиды, карбиды и нитриды урана и плутония, которые также имеют высокие температуры плавления и, что особенно важно, совместимы с тугоплавкими металлами до высоких температур.

Дисперсные композиции с матрицей из тугоплавких металлов характеризуются хорошей теплопроводностью и удовлетворительной способностью удерживать продукты деления. Радиационные повреждения тугоплавких металлов отжигаются в процессе их работы при высоких температурах. Основным фактором, определяющим режимы работы дисперсных композиций с матрицей из тугоплавких металлов и содержание в них топливной фазы, является распухание.

К настоящему времени наиболее изучены высокотемпературные дисперсные композиции UO2-W и UO2-Mo, однако сведения об их использовании в ядерных энергетических установках отсутствуют.

Дисперсная композиция UO2−W. При приготовлении дисперсионной композиции UO2-W используют следующие методы:

а) горячее ударное прессование, которое заключается в смешивании частиц диоксида урана высокой плотности с порошком вольфрама и прессовании смеси при 1200 °С в матрице ударом высокой энергии;

б) изотермическое горячее прессование, которое проводится в атмосфере инертного газа при 1600–1800 °С и давлении 70 МПа;

в) вакуумное горячее прессование частиц UO2, покрытых вольфрамом. Типичный режим прессования: температура 1800 °С, давление 40 МПа и длительность 20 мин. Используют мелкие частицы диоксида с покрытием. Если же они имеют большой диаметр, то перед прессованием их смешивают с мелким порошком вольфрама;

г) прокатка смеси порошков вольфрама и диоксида урана с последующей прокаткой спеченных полос при 2250 °С;

1 Физическое материаловедение.– М.: НИЯУ МИФИ, 2012, Т. 6. П. 27.1. 531

д) совместное выдавливание смеси UO2−W в оболочках из молибдена при 1800–2000 °С и последующая ротационная ковка при 300 °С для получения дополнительного обжатия до 75 %.

Проблема более высокого по сравнению с вольфрамом коэффициента линейного расширения UO2 решается путем использования частиц диоксида с низкой плотностью.

Применение высокочистого вольфрама и стехиометрического диоксида урана позволяет исключить образование жидких фаз из оксидов вольфрама и UO2. Однако при высоких температурах в результате взаимодействия UO2 и W возможно образование UO2−x, который диспропорционирует (т.е. происходит реакция самоокис- ления–самовосстановления) на диоксид урана стехиометрического состава и металлический уран. Уран взаимодействует с вольфрамом по перитектической реакции при высоких температурах, близких к температуре плавления урана. Поэтому при изготовлении дисперсной композиции UO2−W более предпочтительны крупные фракции частиц диоксида урана.

Данные по прочности дисперсной композиции UO2−W приведены на рис. 34.41. Увеличение объемного содержания диоксида урана сильно снижает прочность композиции. Прокатка приводит к возникновению анизотропии прочностных свойств в образцах; прочность вдоль направления прокатки существенно выше, чем поперек, однако с увеличением содержания частиц UO2 разность в прочностных свойствах вдоль и поперек прокатки уменьшается.

532

Увеличение объемного содержания диоксида урана снижает теплопроводность композиции UO2-W (рис. 34.42) и повышает величину коэффициента термического расширения (рис. 34.43).

Поведение компо-

W-Re-Mo при облучении в зависимости от температуры показано на рис. 34.44. Анализ приведенных данных свидетельствует о том, что композиция UO2-W ведет себя с выгоранием лучше, чем UO2- (W-Re). Повышение температуры существенно снижает достижимую глубину выгорания топлива.

Рис. 34.44. Поведение композиции с 60 об.% UО2 в матрице из W и сплава W-Re в зависимости от температуры (□ – матрица из W; – матрица из W-Re):

, – газовыделение и блистеринг отсутствуют;

, – есть блистеринг, газовыделение отсутствует; ■, ● – есть газовыделение,

блистеринг отсутствует

Дисперсная композиция UО2−Mo. Технология производства дисперсной композиции UO2-Mo подобна технологии получения композиции UO2−W, однако рабочие температуры технологических процессов несколько ниже. При этом следует иметь в виду, что, несмотря на хорошую совместимость, молибден и диоксид урана способны взаимодействовать в восстановительной атмосфере, особенно в условиях циклического изменения температуры, а избыток

533

кислорода в топливе или молибдене может привести к жидкофазному взаимодействию. Последнее обстоятельство используется в одном из технологических процессов получения композиции UO2−Mo, который заключается в следующем. Смесь порошков Мо и U3O8 подвергается горячему прессованию при ~1800 °С, в результате чего образуется жидкая фаза U+MoO, которая обволакивает частицы U3O8. Это приводит к восстановлению закиси–окиси до диоксида урана стехиометрического состава. После охлаждения дисперсная композиция имеет плотность характерную для почти стехиометрического состава.

Данные по температурной зависимости теплопроводности дисперсной композиции 60 % UO2-Mо представлены на рис. 34.42, из которого видно, что она хорошо согласуется с аналогичными зависимостями для композиции UO2−W.

534

34.6.6. ДЯТ с оксидной матрицей

Тугоплавкие оксиды металлов, имеющие малые сечения захвата тепловых нейтронов, такие как BeО, Al2O3, МgО и др., представляют определенный интерес для использования в качестве матриц дисперсных топливных композиций в высокотемпературных реакторах. Однако они являются хрупкими при пониженных температурах, хуже чем металлы удерживают ГПД и имеют, за исключением BeО, низкую теплопроводность. Оксиды бериллия, алюминия и магния образуют с диоксидом урана диаграммы эвтектического типа с температурами плавления эвтектик 2170, 1915 и 2280 °С. Соответственно, дисперсные композиции на их основе имеют структуру, состоящую из зерен UO2 и окружающей их эвтектики. Свойства оксидного дисперсного топлива во многом зависят от свойств оксидной матрицы. До последнего времени применение в реакторах нашла только дисперсная композиция UO2-ВeО вследствие хорошей замедляющей способности оксида бериллия и его высокой теплопроводности.

Технология изготовления дисперсного топлива UO2−BeO включает в себя следующие методы:

а) горячее прессование смеси порошков UO2 и BeO при температурах 1500–1800 °С, которое позволяет достигнуть плотности 90–98 % ТП;

б) холодное прессование и спекание в две стадии при температурах 1000–l200 °C и 1600–l800 °C, чтo дает возможность получить плотность 94–98 % от теоретической, при этом содержание UО2 в топливе находится обычно в пределах 5–30 %;

в) мундштучное прессование и последующее спекание изделий при 1600–1800 °С;

г) горячее ударное прессование при температурах выше 1000 °С. Термическое расширение диоксида урана значительно больше, чем у оксида бериллия, поэтому после высокотемпературной обработки композиции UO2−BeO охлаждение может привести к усадке частиц диоксида урана в матрице из оксида бериллия. Следствием этого являются напряжения в частицах диоксида урана, их отслоение и даже разрушение, однако матрица при этом остается непо-

врежденной.

535

Значительный интерес представляет также использование для приготовления дисперсной композиции UO2−BeO сферических частиц UO2, покрытых слоем оксида бериллия. Они лучше удерживают продукты деления и позволяют проводить технологические операции на воздухе.

Одно из наиболее интересных свойств оксида бериллия – высокая теплопроводность, которая при комнатной температуре лишь немногим хуже, чем у меди. С повышением температуры теплопроводность быстро падает, но даже при 800 °С теплопроводность oксида бериллия выше, чем у металлического урана. С увеличением объемного содержания частиц UO2 теплопроводность композиции UO2−BeО падает (рис. 34.46). Хорошие теплопроводность и прочность тонкоизмельченного оксида бериллия обеспечивают весьма высокую стойкость этой композиции к термическому удару. Состояние поверхности, размер зерен, плотность и объемное содержание диоксида урана влияют на механические свойства композиции UO2−ВеО. К сожалению, при существующей технологии ее производства воспроизводимость механических свойств спеченных образцов невысокая. Модуль упругости при разрыве образца с плотностью более 96 % от теоретической составляет 210–280 МПа. Влияние частиц диоксида урана на снижение прочности спеченной топливной композиции весьма сходно с влиянием пустот эквивалентного объема.

Рис. 34.46. Теплопроводность системы оксид урана-оксид бериллия и чистого оксида бериллия:

1 – плотность BeO 98 % от теоретической;

2 – 20 об.% UO2–BeO, плотность 98 % от теоретической (расчет);

3 – 30 об.% UO2–BeO, плотность 98 % от теoретической (расчет);

4 – 20 об.% UO2–BeO, плотность 80 % от теоретической. Для кривых 2 и 3 частицы

диоксида урана принимались за пустоты

В отсутствие водяных паров композиция UO2−BeO довольно устойчива на воздухе, в азоте и кислороде, которые могут использо-

536

ваться в качестве теплоносителей до 2000 °С. Во влажной атмосфере при температурах выше 1000 °С она корродирует.

При облучении композиции UO2-BeО в матрице в результате (n,α)-реакций образуется значительное количество гелия, что приводит к увеличению объема BeO. Распухание носит анизотропный характер и вызывает образование микрощелей в поликристаллической структуре, величина и плотность которых зависит от температуры, нейтронного потока и размера зерен материала.

После выгорания 1018–1020 дел./см3 теплопроводность композиции UO2-ВеО уменьшается на 15–20 % по сравнению с исходным значением, прочность падает на 20–30 %, а модуль упругости снижается на 20–30 %. Дисперсная композиция UO2−ВeO размернонестабильна под действием облучения (1,2·1021 дел./см3), плохо удерживает газообразные продукты деления и подвергается аморфизации при высокой температуре. Увеличение ее объема при 150 °С и флюенсе нейтронов 5·1024 нейтр./м2 (энергия нейтронов > 1 МэВ) идет линейно и составляет ~1 %. В интервале 1024–1025 нейтр./м2 скорость увеличения объема несколько замедляется. Механические свойства композиции уменьшаются примерно в три раза при увеличении температуры облучения от 100 до 500 °С. Пузырьки газов гелия и трития, появляющиеся в результате ядерных реакций, образуются в интервале температур 900–1000 °С при флюенсе быстрых нейтронов 6 · 1025 нейтр./м2.

Наиболее стабильны композиции с крупными размерами частиц UO2 (~100 мкм). Матрица в таких композициях при облучении не теряет кристаллической структуры. Важное значение для радиационной стабильности дисперсной композиции имеет величина кислородного коэффициента частиц UO2. При больших величинах кислородного коэффициента частиц UO2 выделение газообразных продуктов деления увеличивается вследствие большой скорости диффузии.

При высоких объемных содержаниях UO2 в дисперсных композициях в виде таблеток, облучаемых при высоких температурах поверхности твэла (700–1250 °C), возможно резко выраженное перераспределение топлива и матрицы по радиусу таблетки, а также образование центральной полости.

Выделение газообразных продуктов деления из дисперсного топлива UO2-BeО зависит главным образом от размера частиц диок-

537

сида урана, выгорания и температуры. Имеет значение также образование микротрещин Количество выделившихся продуктов деления при облучении составляет ~1 % при 1020 дел./см3 и ~20 % при 1021 дел./см3. Газовыделение из частиц UО2 в оболочке из BеО и в матрице из этого же материала составляет лишь 10-3 %.

Частицы UO2 с покрытием из оксида бериллия значительно лучше удерживают ГПД, чем непокрытые.

Предполагают, что композиции UO2-BeO смогут выдерживать облучение быстрыми нейтронами до 2·1025 нейтр./м2 при 650 °C и 4·1025 нейтр./м2 при 1000 °С. Некоторые характеристики реакторов, использующих дисперсные твэлы с композицией UO2-BeO, приведены в табл. 34.14.

538

Контрольные вопросы

1.Какие особенности характерны для дисперсного ядерного топлива?

2.Опишите структуру идеальной дисперсной топливной композиции.

3.Какие факторы влияют на размеры частиц топлива в дисперсных композициях?

4.От чего зависит объемная доля топлива в матрице?

5.Какая структура характерна для реального необлученного дисперсного ядерного топлива?

6.Какими свойствами должен обладать материал матрицы дисперсного ядерного топлива?

7.Какими свойствами должен обладать материал топливной фазы?

8.Приведите примеры реальных топливных композиций.

9.Как можно оценить физические и механические свойства конечной дисперсной композиции?

10.Какие виды дисперсного топлива относятся к термодинамически равновесным?

11.Какие основные факторы влияют на скорость протекания процесса взаимодействия между частицами топлива и матрицей в термодинамически неравновесных системах?

12.Какие причины ограничивают работоспособность дисперсных топливных композиций?

13.Как влияют температура и выгорание на распухание дисперсного ядерного топлива?

14.Назовите достоинства алюминиевой матрицы.

15.Какие особенности имеет диаграмма системы алюминий-уран?

16.Какие интерметаллиды образуются в системе U–Al?

17.Каковы особенности образования соединения UAl4?

18.Какие фазы и структурные составляющие имеют сплавы системы Al – UAl4?

19.Как влияет содержание и вид интерметаллида UAlx на радиационную стойкость дисперсной топливной комопзиции?

20.Каковы особенности поведения под облучением композиций алюминий-уран?

21.Приведите примеры использования композиции UAlx–Al.

22.Как введение в сплавы системы U-Al легирующих добавок (кремния, циркония или олова) влияет на свойства и радиационную стойкость дисперсных композиций?

23.Какие преимущества имеет система UO2–Al?

24.Опишите процесс взаимодействия в композициях UO2–Al.

25.Приведите примеры использования композиции UO2–Al.

539

26.Почему радиационная стойкость композиции U3O8–Al лучше, чем

уUO2–Al?

27.В каких случаях целесообразно применение магниевой матрицы?

28.Приведите примеры использования композиций с магниевой мат-

рицей.

29.Опишите технологию изготовления дисперсной композиции UO2–коррозионно-стойкая сталь?

30.Как влияет содержание и размер топливных частиц на свойства и радиационную стойкость композиции UO2–коррозионно-стойкая сталь?

31.Как изменяется под облучением структура композиции коррози- онно-стойкая сталь – диоксид урана?

32.Приведите примеры использования композиций UO2– коррозионно-стойкая сталь?

33.Какой вид топлива используется в дисперсных композициях с никелевой матрицей?

34.Какие методы используются для изготовления дисперсных топливных композиций с матрицами из тугоплавких металлов?

35.Где применяются композиции с матрицами из тугоплавких ме-

таллов?

36.В чем состоят достоинства и недостатки оксидных матриц?

37.Как ведет себя под облучением композиция UO2–BeO?

540