Глава 35. ДИСПЕРСНОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО НА ОСНОВЕ МИКРОТВЭЛОВ
Микротвэл (МТ) – это сферическая частица ядерного топлива (микросфера, также называемая керном), покрытая барьерными слоями, предотвращающими выход ПД за пределы микротвэла. Дисперсное ядерное топливо на основе МТ представляет собой либо свободную засыпку МТ, либо композицию из МТ, равномерно распределенных в графитовой матрице. Таким образом, ДЯТ на основе МТ отличается от рассмотренного ранее ДЯТ (см. гл. 34) тем, что топливные частицы имеют дополнительные барьерные покрытия, способствующие снижению выхода ПД и ослабляющими физико-химическое взаимодействие топлива с матрицей.
ДЯТ на основе МТ находит свое применение в действующих экспериментальных энергетических установках (разработки НПО «Луч») и является основным видом топлива для существующих, строящихся и разрабатывающихся высокотемпературных газографитовых реакторов (ВТГР).
При разработке и создании высокотемпературных газографитовых реакторов с гелиевым теплоносителем в первоначальных проектах предполагалось использовать в качестве топлива дисперсные композиции с матрицей из графита, содержащей равномерно распределенные частицы простых и смешанных дикарбидов урана и тория, совместимых с графитом до высоких температур. Однако их поведение под облучением оказалось неудовлетворительным из-за большой утечки ПД в теплоноситель, которые плохо удерживаются карбидными частицами и пористой матрицей. Выгорание такого дисперсного топлива могло привести к недопустимо высокому радиоактивному загрязнению трубопроводов и оборудования контура охлаждения реактора, что сделало бы невозможным его нормальную эксплуатацию, а также проведение планово-профилактических и ремонтных работ. Кроме того, при получении таких дисперсных композиций возникали также трудности технологического характера, обусловленные пирофорностью и гигроскопичностью частичек карбидного топлива.
Эти недостатки были успешно устранены при использовании технологии МТ путем нанесения на частицы топлива, которым
придавали сферическую форму, защитного покрытия, состоящего либо из пироуглеродных (РуС) слоев, либо из слоев РуС, между которыми располагался карбидный слой. Частицы топлива с пироуглеродными (ПИУ) или пироуглеродокарбидными (ПИУК) покрытиями являются микротвэлами, причем ПИУ- и ПИУКпокрытия в иностранной научно-технической литературе обычно называют соответственно BISO- и TRISO-покрытиями. Применение МТ позволило резко снизить утечку ПД в теплоноситель и довести ее до приемлемого уровня.
Попытки использования MT в виде свободной засыпки в каналах графитовых блоков ВТГР оказались неудачными ввиду недопустимо большой усадки такой засыпки по высоте, которая, например, превышала 18 % после облучения быстрыми нейтронами до флюенса 7,5 · 1021 нейтр./см2 при 1020 °С. Удовлетворительные результаты были получены лишь при диспергировании МТ в графитовой матрице и применении таких дисперсных композиций в качестве топливных сердечников в твэлах и ТВС.
Дисперсное топливо на основе МТ имеет более высокую теплопроводность по сравнению с насыпным слоем МТ, что заметно снижает градиент температуры по объему и усиливает сопротивление оболочки МТ внутреннему давлению ГПД, так как графитовая матрица подвержена слабому изотермическому сжатию при облучении; она также частично удерживает твердые ПД, что способствует меньшему загрязнению теплоносителя при повреждении покрытия МТ и дает возможность снизить требования по утечке ПД из МТ.
Другими ценными свойствами графита, из которого изготавливаются также компоненты твэлов и ТВС для ВТГР, являются: низкое сечение захвата тепловых нейтронов, удовлетворительная радиационная стойкость, хорошие теплофизические и прочностные характеристики при высоких температурах, что дает возможность получать в активных зонах ВТГР большое объемное тепловыделение и недостижимые в других реакторах высокие температуры. Одновременно графит служит хорошим замедлителем и отражателем нейтронов1.
1 Физическое материаловедение. – М.: НИЯУ МИФИ, 2012, Т. 6. П. 28.1.
35.1.Дисперсные твэлы и ТВС ВТГР
Кнастоящему времени созданы опытные (Драгон, Пич-Боттом, AVR) и прототипные (Форт-Сент-Врейн и THTR-300), а также строятся и проектируются новые высокотемпературные реакторы. Для них разработаны стержневые и шаровые твэлы, а также призматические тепловыделяющие сборки.
Стержневые твэлы применялись только на начальной стадии создания ВТГР и имеют перспективы применения в специальных энергетических реакторах. Опыт эксплуатации реакторов типа ВТГР показал, что шаровые твэлы (рис. 35.1) и призматические ТВС (рис. 35.2) имеют целый ряд преимуществ по сравнению со стержневыми твэлами, вследствие чего они и будут, по-видимому, использоваться в дальнейшем.
Рис. 35.1. Призматический твэл для реактора HTGR:
а – вид сверху; б – сечение А–А; в – топливный стержень (микротвэлы, распределенные в графите); 1 – отверстие (Ø 21 мм) для теплоносителя (66 отверстий); 2 − отверстие (Ø 18 мм) для теплоносителя (6 отверстий); 3 − отверстие (Ø 12,7 мм) для выгорающего поглотителя (6 отверстий); 4 − отверстие (Ø 15,9 мм) для топлива (132 отверстия); 5 − отверстие для
манипулятора выгрузки топлива; 6 – точка крепления (3 точки); 7 – поток гелия; 8 – канал для топливных стержней; 9 – канал для теплоносителя; 10 – стержень выгорающего поглотителя; 11 – цементно-графитовая пробка; 12 – графит
Рис. 35.2. Шаровые твэлы:
а– полый графитовый шар, заполненный покрытыми топливными частицами
всмеси с порошком графита; б – МТ размещаются на внутренней поверхности
полой сферы графитового шара, остальной объем внутренней полой сферы заполнен графитовой массой; в – смесь топливных частиц с графитовым порошком в виде шаровой сферы, окруженной (покрытой) наружной оболочкой из графитовой массы; г – смесь топливных частиц наносится прессованием
на внутренний графитовый шар, а затем так же прессованием (как на рис. 35.2. в) наносится графитовая оболочка; 1 – выход (стык) пробки на сферическую поверхность хорошо заделан (зацементирован); 2 – покрытие пироуглеродом каждой частицы (толщиной ~100 мкм); 3 – сферические топливные частицы
(≥ 20 мкм); 4 – покрытые топливный частицы, распределенные в графитовой матрице; 5 – пустотелые графитовые шары после механической обработки; 6 – графитовая масса
По технологии изготовления твэлы и ТВС ВТГР подразделяют на сборные и монолитные. Первые из них получают сборкой раздельно приготовленных элементов конструкций и топливных сердечников, в то время как вторые, считающиеся более перспективными, их совместным прессованием и последующей термообработкой сформованных изделий, которая обычно выполняется в два этапа. Вначале при температуре 700÷1000 °С в атмосфере азота осуществляется коксование связующего, а затем при 1800÷2000 °С в вакууме частичная графитация коксового остатка связующего, дальнейшее спекание топливного сердечника, обезгаживание и стабилизация размеров.
544
Дисперсные топливные композиции для твэлов и ТВС ВТГР приготовляют многими методами. Один из них, например, заключается в смешивании МТ с порошками природного графита, нефтяного кокса и сажи, к которым в качестве связующего вещества добавляется термореактивная смола. Из смеси холодным прессованием и последующим двухстадийным спеканием при ~800 и 1800– 1900 °С изготавливают компактные топливные сердечники с плотностью матрицы ~1,75 г/см3. При этих операциях происходит разрушение части МТ, причем доля МТ с разрушенным покрытием доходит до (2 ÷ 5)·10-6.
Вдругом методе формование сплошных или полых топливных сердечников осуществляют с помощью инжекторного литья нагретой вязкой смеси, состоящей из МТ, смолы и графитового порошка. Затем их также подвергают высокотемпературной термообработке. Доля МТ с разрушенным покрытием при использовании этого метода обычно несколько ниже, чем предыдущего.
Матричный графит дисперсных топливных композиций состоит из кристаллических зерен графита, связанных между собой перемычками из неграфитированного коксового остатка связующего. Его свойства зависят от соотношения между графитированной и неграфитированной составляющими.
Втопливных сердечниках количество матрицы, толщина покрытия МТ, диаметр топливных микросфер (МС) и концентрация МТ находятся между собой в определенном соотношении, которое обеспечивает требуемый запас реактивности реактора путем создания необходимой концентрации делящегося нуклида и топливного
сырья. Обычно содержание урана и тория в топливных сердечниках составляет от 0,75 до 1,5 г/см3. Готовые твэлы и ТВС перед загрузкой в активную зону ВТГР подвергаются тщательному контролю. Он заключается в определении однородности распределения МТ в матрице, контроле ее плотности, а также степени технологического загрязнения ураном и торием, которое имеет место при высокотемпературной термообработке. Контролируются также размеры, отклонения которых от номинальных должны укладываться
втребуемые допуски. В случае шаровых твэлов дополнительно измеряется их сопротивление циклическим ударам.
35.2. Микротвэлы и их конструктивные особенности
35.2.1. Характеристики топливных микросфер
Среди многих факторов, влияющих на сохранение целостности покрытия МТ и выход из них ПД, большое значение имеют диаметр топливных МС, степень их сферичности, гранулометрический состав и плотность. Очевидно, что для снижения выхода ПД в виде ядер отдачи из МС диаметр последних должен быть намного больше удвоенной длины пробега осколка деления в топливе, которая, например, для диоксида урана составляет 9,4 мкм. Несложные расчеты показывают, что при диаметре МС из UO2 100 мкм ее будет покидать в виде ядер отдачи ~15 % образовавшихся ПД, а при диаметре 400 мкм – всего лишь ~3 %. Увеличение диаметра МС не только способствует снижению утечки ПД, но и повышает загрузку ядерного топлива, что особенно важно при применении в качестве топлива низкообогащенного урана. Из этих соображений диаметр МС иногда доводят до 900÷1000 мкм. Однако с повышением диаметра растет температура внутри МС и увеличивается уровень напряжений в слоях покрытия, что требует оптимизации диаметра МС с учетом конкретных условий работы топлива. В большинстве случаев он находится в пределах 300÷600 мкм.
Отклонение от сферической симметрии МС оказывает неблагоприятное воздействие на эксплуатационные характеристики МТ. Оно увеличивает термические градиенты в объеме МТ и повышает уровень напряжений в слоях покрытия. Детальный анализ показывает, что сильные, но локальные отклонения от сферичности типа вздутий вызывают меньшие напряжения в слоях покрытия, чем слабые, но «глобальные» изменения формы МС. Обычно стремятся к тому, чтобы отклонение произвольно выбранного диаметра МС от его среднего значения не превышало 5 %.
Разброс значений диаметров МС, который существует, как правило, в пределах каждой технологической партии, вызывает соответствующий разброс в уровне напряжений в покрытии МТ. Это приводит к тому, что на одних МТ покрытие может разрушиться значительно раньше, чем на других, вызывая тем самым нежелательные утечки ПД. В этой связи гранулометрический состав МС
также должен находиться в определенных пределах, зависящих от технологии производства МС и условий выгорания топлива. Так, допустимый разброс значений диаметра МС из UO2 для реактора ВГ-400 составляет 450÷550 мкм.
Величина плотности МС тесно связана с их прочностью и скоростью распухания в процессе облучения. Для обеспечения высокой радиационной стабильности плотность МС должна быть ниже теоретической, так как поры представляют микрообъемы, в которые выделяются ПД и где они могут накапливаться. Это снижает твердое и газовое распухания МС, а также уменьшает давление газов внутри МТ. Поэтому при увеличении расчетной глубины выгорания топлива, что сопровождается повышением количества образующихся ПД, плотность МС должна снижаться. Однако при этом происходит уменьшение прочности МС, что ухудшает сопротивление МТ разрушению при технологических операциях. Исходя из этих соображений МС изготавливают с плотностью, которая зависит от принятой технологии, а также глубины выгорания топлива и обычно находится в пределах 80÷90 % ТП.
35.2.2. Типы покрытий и назначение входящих в них слоев
Покрытия на МС играют ту же роль, что и металлические оболочки твэлов энергетических реакторов: предотвращают выход продуктов деления в теплоноситель, защищают сердечник от воздействия теплоносителя и повышают механическую прочность МТ в целом. Кроме того, они выполняют и специфические функции: уменьшают диффузию и миграцию топлива при высоких температурах, защищают матрицу дисперсных композиций от радиационных повреждений продуктами деления, предохраняют топливо от контакта с воздухом и влагой при технологических операциях и способствуют более равномерному распределению топлива в матрице.
К настоящему времени наибольшее применение получили два типа покрытий (рис. 35.3). Микротвэлы с температурой центра, не превышающей 1000 °С, обычно имеют ПИУ-покрытие с двумя пироуглеродными слоями (рис. 35.3, а). При более высоких температурах подвижность твердых ПД возрастает, и некоторые из них
становятся способными мигрировать через двухслойное покрытие, вследствие чего утечка ПД увеличивается.
Рис. 35.3. Типы микротвэлов с пироуглеродным (BISO) покрытием (а) и с пироуглеродо-карбидным (TRISO) покрытием (б):
1 – топливная микросфера; 2 – буферный слой пористого пироуглерода; 3 – внутренний плотный слой изотропного пироуглерода; 4 – барьерный слой из карбида кремния; 5 – внешний плотный слой изотропного пироуглерода
Для снижения утечки ПД были разработаны более сложные четырехслойные ПИУК-покрытия, содержащие наряду со слоями РyС промежуточный карбидный слой, например из карбида кремния SiС (рис. 35.3, б). Температура в центре МТ с таким покрытием не должна превышать 1500 °С, так как при более высоких температурах его удерживающие свойства оказываются неудовлетворительными.
В покрытиях первого типа пироуглеродный слой, непосредственно прилегающий к топливной МС и называемый буферный (слой PyC1), имеет низкую плотность ~0,9÷1,22 г/см3 (теоретическая плотность графита 2,27 г/см3) и аморфную структуру, которая практически не повреждается осколками деления. Функции буферного слоя весьма многообразны. Он воспринимает без передачи последующим слоям покрытия объемные изменения МС, обусловленные ее термическим расширением и распуханием. Буферный слой также защищает вышележащий слой плотного пироуглерода от воздействия осколков деления. В процессе выгорания топлива в порах буферного слоя происходит накопление вышедших из МС продуктов деления, что уменьшает давление газообразных и легко-
летучих ПД на покрытия МТ, снижая тем самым напряжения в его слоях.
При низких выгораниях и высоких температурах облучения (≥900 °С) на границе раздела топливная микросфера–буферный слой в зоне шириной ~20 мкм наблюдается повышение плотности пористого пироуглерода вследствие его дополнительной графитации под облучением. Плотность этого участка буферного слоя, называемого плотным буферным подслоем, доходит до 2,2 г/см3.
Наружный слой пироуглерода (слой РуС2) является изотропным и имеет высокую плотность, составляющую 1,85÷1,95 г/см3. Он практически непроницаем для ГПД, а также ряда твердых ПД (Nb, Zr, Ru, а в случае оксидных МС – Се и Y). Способность этого слоя препятствовать утечке ПД и противостоять разрушению при облучении определяется плотностью, анизотропией, толщиной и микроструктурой. Под облучением слой РуС2 имеет тенденцию к сжатию, которое можно компенсировать нанесением дополнительного промежуточного слоя.
Существенный недостаток слоя РуС2, заключается в том, что он
не является надежным барьером для таких твердых ПД, как 90Sr, 110Ag, 140Ba, 144Cs, коэффициенты диффузии которых в нем на не-
сколько порядков выше, чем ГПД. Снизить утечку этих ПД удается при использовании покрытия второго типа, содержащего наряду со слоями, входящими в состав ПИУ-покрытия, еще два дополнительных слоя. В нем на слой РуС2 наносится карбидный слой, проницаемость которого твердыми ПД при 1100÷1300 °C в 100÷1000 раз меньше проницаемости слоя РуС2. Этот слой выполняет также ряд важных дополнительных функций. Он придает МТ более высокую прочность, ограничивает развитие трещин, образующихся в прилегающих к нему слоях РуС, а также снижает загрязнение тяжелыми металлами покрытия и матричного графита при высокотемпературных технологических операциях. Его обычно изготавливают из карбида кремния (слой SiС3), хотя он может быть получен и из карбидов других металлов, имеющих низкое сечение захвата нейтронов (ZrC, NbC и др.). Ввиду того, что слой SiC обладает высокой твердостью, очень хрупок и легко растрескивается при возникновении в нем растягивающих напряжений, на этот слой наносится плотный слой пироуглерода РуС4, предохраняющий его от механических и химических повреждений, а также повышающий проч-
ностные характеристики в процессе облучения (препятствует развитию в нем растягивающих напряжений). Таким образом, второй тип покрытия содержит четыре слоя (в порядке следования): буферный, газонепроницаемый из плотного пироуглерода, слой карбида кремния и плотный слой из пироуглерода (слои: РуС1/РуС2/SiС3/РуС4).
Кроме покрытий описанных типов, разрабатываются и исследуются покрытия с улучшенными характеристиками, имеющие карбидный слой из ZrC, а также большее количество слоев покрытия.
В процессе выгорания топлива внутри МТ постоянно накапливаются ГПД, создавая под покрытием значительное давление. В МТ с оксидным топливом к этому давлению добавляется давление смеси газов (СО + СО2), которые образуются в результате химического взаимодействия топливного оксида, а также кислорода, выделяющегося из него при выгорании, с углеродом буферного слоя. Суммарное давление газов под покрытием МТ может достигать весьма большой величины, составляющей несколько десятков МПа. Поэтому МТ можно рассматривать как миниатюрные сосуды высокого давления, а непроницаемые для газов слои покрытия РуС2, SiС3 и РуС4 – как силовые сферические оболочки, которые способны выдерживать это давление.
35.2.3. Толщина слоев покрытия
Выбор толщин покрытия МТ, а также входящих в него пироуглеродных и карбидных слоев является весьма сложной задачей, в которой необходимо принимать во внимание совокупное действие многих факторов. С одной стороны, толщина покрытия должна быть минимальной, чтобы обеспечить максимальную концентрацию топлива в объеме МТ, а с другой – она должна быть достаточной, чтобы покрытие и входящие в него слои выполняли свое функциональное назначение и сохраняли целостность при достижении проектных выгораний. Экспериментальные данные показывают, что суммарная толщина покрытия (S) и диаметр МС (D) взаимно связаны друг с другом и не могут иметь произвольных значений. Для сведения к минимуму вероятности разрушения покрытия отношение его толщины к диаметру МС (относительная толщина
