книги из ГПНТБ / Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие

2 І0 Г л . 7. Ядерно-горю чие материалы

ток. Отклонение от стехиометрии чистого состава интенсифици­ рует рост зерна в двуокиси урана.

Рнс. 7.11. Столбчатые кристаллы и центральный канал в облученной двуокиси урана.

туры плавления образование полости облегчается. При облуче­ нии свободно засыпанной или уплотненной в оболочке (но неспе­ ченной) двуокиси урана происходит интенсивное спекание частиц при температуре ~900°.

В случае нарушения сплошности оболочек твэлов вода во время остановки реактора или при работе на малой мощности попадает в поры двуокиси урана. При достижении рабочей тем­ пературы происходит испарение воды, повышение давления в порах и разрушение двуокиси. Аналогичный эффект наблюдается и в случае жидкометаллического теплоносителя.

Технология изготовления изделий из двуокиси урана. Ком­ пактная двуокись урана получается холодным прессованием с последующим спеканием для повышения плотности и прочности либо набивкой порошка двуокиси в оболочку твэла с последую­ щим уплотнением. При прессовании в качестве связующего ком­ понента используют парафин, полиэтиленгликоль и другие орга­ нические соединения. Удаление связующих компонентов произ­ водится нагревом после прессования перед спеканием. Спекание производится в атмосфере водорода. Наивысшая плотность изде­ лия достигается при температуре спекания 1700°. В порошкооб­ разной двуокиси урана необходимо ограничить содержание уг­ лерода, вредно сказывающегося на процессе производства изделий и на их стабильности в условиях эксплуатации. Уплот­ нение порошка двуокиси в оболочке твэла осуществляют мето­ дом вибрации, прессованием или совместным выдавливанием с оболочкой. Отсутствие спекания в уплотненной двуокиси сни­ жает коэффициент теплопередачи, сопротивление коррозии и распуханию.

З а к и с ь - о к и с ь у р а н а . IbOs по сравнению с двуокисью урана имеет ограниченное применение. Она применяется в твэлах дис­ персионного типа, в частности в смеси с алюминием, в контакте с которым двуокись урана термодинамически неустойчива.

реакторов на быстрых нейтронах с расширенным воспроизвод­ ством. Некоторые физические свойства двуокиси плутония представлены в табл. 7.5. Коэффициент линейного расширения двуокиси плутония сравним с коэффициентом теплового расши­ рения двуокиси урана. Сведения о совместимости двуокиси плу­ тония с другими материалами представлены в табл. 7.7. Дву­ окись плутония трудно растворима в большинстве сред. Наибо­ лее эффективно растворяют двуокись плутония фосфорная, азотная и плавиковая кислоты. Компактные изделия из двуокиси плутония изготавливают способами, описанными для двуокиси урана. Радиационная стойкость двуокиси плутония близка к

углекислым газом и устойчива в воде до температуры 300°. Теп­ лопроводность двуокиси тория незначительна и уменьшается с увеличением температуры, приближаясь к теплопроводности двуокиси урана. Горючее в виде смеси двуокисей урана и тория имеет большое значение для реакторов с уран-ториевым циклом.

212 Г л . 7. Ядерно-горю чие материалы

С1000 Частично восстанавливается до Ри20 3; при 1200° С

медленное образование монокарбида PuC; при 1850° С образование PuC и Ри2С3

Спекание смеси этих окислов можно проводить на воздухе. По­ ведение твердого раствора двуокиси тория и двуокиси урана при облучении сходно с поведением двуокиси урана.

Неокисные топливные материалы. В качестве ядерного горю­ чего могут использоваться карбиды делящихся материалов.

Монокарбид урана. UC считают одним из перспективных ядерных материалов в связи с высоким содержанием горючего (на 25—30% больше, чем в Двуокиси урана) и повышенной теп­ лопроводностью (в-8—10 раз больше, чем у двуокиси урана). Использование монокарбида урана позволяет при сохранении загрузки активной зоны увеличивать тепловыделение, снижать газовыделение и температуру в центре твэла. Изотропная куби­ ческая структура монокарбида обеспечивает его хорошую ра­ диационную стойкость при высокой температуре и большом вы­ горании.

Ряд свойств монокарбида урана и других карбидов деля­ щихся материалов представлен в табл. 7.5, Коэффициент линей­ ного расширёния монокарбида урана при температуре от 20 до 500° равен 11,6-10_6 град-1. Монокарбид стехиометрического со­ става медленно растворяется в концентрированных кислотах и быстро — в разбавленных. На воздухе он пирофорен при темпе­ ратуре выше 300°. В углекислом газе окисляется при 500° до закись-окиси урана. Монокарбид с большой скоростью реагирует с водой при температуре 20—60°; в органических теплоносите­ лях нестоек при высокой температуре и инертен к расплавам натрия и калия. В табл. 7.8 представлены данные по совмести­ мости монокарбида урана с различными 'материалами.

Дикарбид урана UC2 имеет меньшую плотность поурану, чем монокарбид, и претерпевает аллотропическое прейращение при температуре 1830°. Стойкость дикарбида на воздухе и в углекислом газе близка к стойкости монокарбида. Взаимодейст­ вие дикарбида с большинством конструкционных материалов начинается при' температуре более высокой, чем монокарбида. Теплопроводность дикарбида близка к теплопроводности моно­ карбида и возрастает с увеличением температуры.

Теплопроводность монокарбида плутония значительно ниже, чем монокарбида урана (см. табл.' 7.5). Более высокуютепло­ проводность имеет твердый раствор (U, Pu)С. Этот карбид инер­ тен к натрию и калию и совместим со сплавом Z r— 1% Nb до

табл. 7.5). Совместимость мононитрида урана со многими мате­ риалами выше, чем монокарбида урана. Мононитрид имеет до­ статочно высокую теплопроводность. Хорошо сопротивляется деформации при высокой температуре, обладает высокой радиа­ ционной стойкостью. Мононйтрид урана стоек в деаэрированной воде до 250°, в щелочных металлах до 800°, в органических теп­ лоносителях до 350°. С алюминием, сплавами циркония и нержа­

веющей сталью мононитрид урана совместим соответственно до температуры 400, 600 и 1300°. При нагревании до температуры выше 1700° мононитрид разлагается. Повышение давления азота замедляет этот процесс. Так, при давлении азота ІО-4 ат темпе­ ратура разложения мононитрида урана 2080°. Для полного предотвращения разложения вплоть до температуры плавления давление азота должно быть увеличено до 2,5 ат.

Монофосфид урана и сульфиды урана и тория имеют высо­ кую температуру плавления, сравнительно стабильны при высо­ кой температуре, совместимы при высокой температуре со мно­ гими материалами и достаточно стойки во многих теплоносите­ лях. Все эти обстоятельства делают эти соединения перспектив­ ными с точки зрения использования их в качестве ядерного го­ рючего.

Д и с п е р с и о н н о е я д е р н о е г о р ю ч е е . В дисперсионном ядерном горючем топливная фаза дисперсно распределена в неактивной матрице. Каждую частицу ядерного горючего можно рассматри­ вать как микроэлемент, в котором роль оболочки выполняет матрица. В качестве диспергированного горючего могут быть использованы керамические материалы, высокая температура плавления и стойкость при облучении которых сочетаются с прочностью, пластичностью и высокой теплопроводностью мат­ рицы. Процессы деления и возникающие при этом радиацион­ ные повреждения сосредоточиваются в топливной части, диспер­ гированной в матрице. Сама же матрица будет находиться в ос­ новном только под действием нейтронов, радиационные повреж­ дения от которых не столь велики, как от действия осколков деления. Однако часть матрицы, соприкасающаяся с ядерным горючим, также будет повреждена осколками деления. Глубина зоны повреждения не зависит от размера диспергированных ча­ стиц и равна длине пробега осколков деления в матрице. Для прочности дисперсной системы большое значение имеет соотно­ шение размеров поврежденной и неповрежденной частей мат­ рицы. При постоянном соотношении топливной части и матрицы размер диспергированных частиц может быть различен. Чем мельче зерна топливных частиц, тем значительнее их поверх­ ность и больше зона повреждения матрицы. В качестве матрицы используют Al, Be, Mg, Zr, Nb, W, нержавеющую сталь. В каче­ стве дисперсной топливной фазы служат различные соединения урана, интерметаллиды его с алюминием, бериллием, окислы, карбиды, нитриды урана и других делящихся материалов. Для увеличения радиационной стойкости дисперсионного горючего расстояние между диспергированными частицами должно быть больше удвоенной длины пробега осколков деления. Диспер­ сионное ядерное горючее должно быть совместимым с материа­ лом матрицы в процессе изготовления и в рабочих условиях,

Материал матрицы должен обладать высокой прочностью п пластичностью, чтобы противостоять распуханию диспергиро­ ванных частиц горючего при накоплении в них твердых продук­ тов деления и сдерживать давление газообразных продуктов деления без разрушения, хорошей теплопроводностью, не иметь структурных превращений во всем диапазоне рабочих темпера­ тур, быть коррозионностойким к теплоносителю и совместимым с материалом оболочки твэла.

Дисперсная система с 30% UO2 в матрице из аустенитной нержавеющей стали при выгорании до 15% урана и температуре в центре твэла 427—87Г обладает высокой радиационной стой­ костью.

Матрица воспринимает напряжения, возникающие под дейст­ вием облучения в полости, занятой горючим, до тех пор, пока эти напряжения по величине не превзойдут максимальную проч­ ность материала матрицы. Следует заметить, что матрица, ос­ лабленная хрупкими керамическими включениями, будет иметь пониженную прочность. Определение прочности такой системы является весьма сложной задачей.

В дисперсной системе двуокись урана — алюминий материа­ лы при температуре 600° взаимодействуют с образованием ин­ терметаллических соединений урана и алюминия и окиси алю­ миния. При этом происходит изменение объема на 20—30%. При замене двуокиси урана на закись-окись урана изменение объема в этих же условиях составило только 4%. В качестве дисперсной системы применяют стеклянное волокно, содержа­ щее закись-окись урана; система монокарбид урана — алюминий применяется до 500° (при 600° карбид несовместим с алюминием и полностью распадается). Хорошо зарекомендовала себя систе­ ма, состоящая из интерметаллидов урана и алюминия в матрице из алюминиевого сплава или порошка алюминия.

§ 7. 10

Т е п л о в ы д е л я ю щ и е э л е м е н т ы я д е р н ы х р е а к т о р о в

П о в р е ж д е н и я . К числу основных причин повреждений твэлов в процессе эксплуатации следует отнести изменение формы и размеров сердечника вследствие радиационного роста и распу­ хания, термических циклов и аллотропических превращений, а также разрушение оболочки вследствие протекания коррозион­ ных и эрозионных процессов, диффузионного взаимодействия ма­ териала горючего и оболочки, перегрева отдельных участков оболочки вследствие образования отложений. Надежная работа

216 , Г л . 7. Ядерно-горю чие материалы

твэлов обеспечивается правильным выбором материалов тепло­ носителя, поддержанием в процессе эксплуатации заданного со­ става теплоносителя и температурного режима, а также выбором рациональной конструкции элемента и способов его крепления. Важными требованиями являются простота конструкции и низ­ кая стоимость твэла, а также возможность и простота регенера­ ции ядерного горючего.

Тепловой контакт. Местный перегрев может произойти вслед­ ствие нарушения контакта (сцепления) между сердечником и оболочкой. Создание надежного контакта между сердечником и оболочкой, особенной случае соединения керамики с металли­ ческими материалами, встречает серьезные трудности. Однако в некоторых случаях целесообразно оставлять зазор между сер­ дечником и оболочкой, заложив его теплопроводящей прослой­ кой. Сцепление между сердечником и оболочкой можно осущест­ вить «металлургической связью». Такое соединение получают при нагреве контактирующих поверхностей. Под металлургиче­ ской связью понимают все виды соединения в металлических си­ стемах, в том числе за счет химического взаимодействия, диф­ фузии и т. д. Если сердечник и оболочка сделаны из одного ме­ талла, например, дисперсная фаза двуокиси урана в матрице из нержавеющей стали и оболочка из нержавеющей стали, то для образования металлургической связи достаточно создать контакт сердечника и оболочки и осуществить нагрев до определенной температуры.

В других случаях совмещаемые материалы, например уран и алюминий, при нагревании образуют интерметаллиды, объем продуктов коррозии которых больше объема урана и алюминия, затраченных на их образование. Изменение объема в промежу­ точном слое и образование хрупких соединений может привести к разрушению всего элемента. Поэтому создают промежуточный диффузионный барьер, препятствующий образованию хрупких интерметаллидов. Для создания диффузионного барьера на по­ верхность сердечника наносят слой Ni, Nb, Si и других метал­ лов толщиной 8—20 мкм. При нагревании прослойка образует диффузионные пары со стороны сердечника и оболочки. Алю­ миний из оболочки может продиффундировать сквозь никелевую прослойку, но для этого потребуется значительное время. При чисто механическом контакте сердечника и оболочки необходима тщательная подгонка деталей топлива и оболочки, что требует прецизионной механической обработки или обжатия. Необходи­ мо учитывать коэффициенты теплового расширения материалов.

Как уже указывалось, в ряде случаев целесообразно созда­ вать зазор между сердечником и оболочкой, так как объем го­ рючего во время эксплуатации увеличивается. Зазор заполняется веществом с хорошей теплопроводностью. В качестве газовой

прослойки обычно применяют гелий, имеющий хорошую тепло­ проводность. В этом случае не возникает проблема смачивания металлов. В качестве жидкометаллической теплопроводящей прослойки обычно применяют Na, Pb, сплавы Na—К, Pb—Bi. Сцепление между сердечником и оболочкой создается совмест­ ной прокаткой, прессованием, выдавливанием, ротационной ков­ кой (обжатием со всех сторон) и т. д. Важное значение имеет герметизация твэла. Наиболее распространенным способом гер­

Контроль. После изготовления твэла необходимо проверить правильность расположения сердечника внутри оболочки, каче­ ство самой оболочки, герметичность, связь оболочки с сердечни­ ком, правильность размера, качество отделки поверхности.

водой, и твэлы из природного урана в оболочках из магниевых ■сплавов, охлаждаемые углекислым газом. Тепловыделяющие элементы первого типа служат для производства плутония в уран-графитовых реакторах (например, в Ханфорде, СаваннаРивер и др.). Тепловыделяющие элементы второго типа приме­ няют в двухцелевых (производство плутония и электроэнергии) реакторах в Колдер-Холле, Беркли и т. д.

Тепловыделяющие элементы ханфордского реактора. На рис. 7.12 приведена схема тепловыделяющего элемента ханфордского реактора с природным ураном. Урановый сердечник диа­ метром 34,5 мм и длиной 204 мм помещают в оболочку из алю­ миния, которую припаивают к сердечнику силуминовым при­ поем. Толщина оболочки, включая слой припоя в 0,25 мм, со­ ставляет 1,05 мм. На торцах оболочка утолщена до 8,9 мм (глу­ хой торец) и 8,4 мм (торец, закрываемый привариваемым диском).

Для изготовления сердечника обточенный слиток природного нелегированного урана (динготметалл) куют на прокатную за­ готовку. При этом разбивается литая структура. Заготовка под

зают и после закалки из ß-фазы сердечники доводят до заданных размеров. Контролируют величину зерна и поверхностные де­ фекты (трещины, раковины, рифленость, заусенцы, герметич­ ность, газовые пузыри, неспаи, проедание алюминиевой оболоч­ ки припоем, хрупкость слоя припоя).

В твэлах для газоохлаждаемых реакторов используют метал­ лический уран в виде стержней диаметром 29,2 мм и длиной

1020 мм, толщина магноксовой оболочки 1,83 мм. Для улучше­ ния теплоотдачи оболочки делают с винтообразными ребрами высотой 10,4 мм. Концевые детали, приваренные к оболочке, служат для центровки твэла по оси канала. В процессе эксплуа­ тации наблюдается небольшое увеличение длины и диаметра твэлов. В целом же эти элементы надежны в эксплуатации да выгорания несколько килограммов на тонну урана.

Рис. 7Л2. Схема твэла ханфордского реактора:

Тепловыделяющие элементы энергетических реакторов. Для реакторов с уровнем температуры 300—600° и выше наиболее устойчивыми при больших выгораниях являются твэлы на осно­ ве компактного керамического горючего. Твэлы первого блока Ново-Воронежской АЭС представляли собой стержни диаметром 10,2 мм с сердечником из выдавленной и спеченной двуокиси урана. Активная длина твэлов 2463 мм. В качестве оболочки использовали трубы 010,2X 0,6 из сплава с Z r — 1% Nb. Коэф­ фициент теплового расширения сплава циркония примерно вдвое меньше, чем двуокиси урана. В рабочих условиях температура сердечника выше температуры оболочки. Для того чтобы избе­ жать напряжений в оболочке, между ней и сердечником остав­ ляют зазор 0,1 мм по радиусу. (Диаметр сердечника из дву­ окиси урана равен 8,8 мм.) Наличие зазора при большой длине твэла облегчает сборку блоков сердечника в оболочке. Твэлы по 91 штуке объединяют в шестигранные кассеты. Дистанционирование осуществляется при помощи концевых и промежуток-

тем гибки и сварки одним продольным швом листа толщиной 2 мм. Во втором блоке Ново-Воронежской АЭС в каждой кас­ сете 127 цилиндрических твэлов с диаметром сердечника 7,7 мм и наружным диаметром оболочки 8,8 мм. Твэлы с сердечником из двуокиси урана используют на атомном ледоколе «Ленин» и Шиппингпортской АЭС. На Шиппингпортской АЭС твэлы со­ браны по 120 штук и вварены в две плиты. И оболочка элемен­ тов и плиты изготовлены из сплава Zr — 2,5% Nb. Для предот­ вращения искривления и изменения зазоров между стержнями сварка каждого из 120 элементов проводилась в строгой после­ довательности в соответствии с анализом возникающих напря­ жений. Для снятия напряжений сборка после сварки отжигалась в вакууме при 690° в течение 3 ч. Распорные стальные проклад­ ки при этом не вынимались. После отжига они растворялись в азотной кислоте.

Кроме твэлов с керамическим горючим применяют тепловы­ деляющие элементы дисперсионного типа. Твэлы этого типа изготавливают в основном методами порошковой металлургии, в частности, методом горячего прессования. Специальными ме­ тодами получают гладкие сферические частицы горючего, по­

сферических частиц с оболочкой, осуществляется методом диф­ фузии в горячем состоянии. При нагреве компоненты материа­ лов матрицы и оболочки диффундируют друг в друга, образуя неразрывное целое. В других случаях между сердечником и обо­ лочкой помещают металл с низкой температурой плавления. При нагреве он растекается и связывает сердечник и оболочку. Может быть использована горячая и холодная сварка под дав­ лением. Эти методы требуют высокой чистоты поверхности.

Заготовки из уран-алюминиевых сплавов производят либо прессованием порошков интерметаллида урана и алюминия и чистого алюминия, либо сплавлением алюминия высокой чисто­ ты и обогащенного урана. Полученную заготовку прокатывают в ленту, из которой вырубают пластины. Эти пластины покры­ вают сверху и снизу чистым алюминием и прокатывают. Пла­ стины из плакированного алюминием горючего с помощью, днстанционирующих устройств собирают в сборки. В случае гелие­

н а х . В реакторах на быстрых нейтронах твэлы работают в очень жестких условиях. Плотность потока здесь составляет 1015— ІО16 нейтрон/(см2 • сек) , а интегральный поток ІО23 нейтрон/см2.