Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 156_Материалы ядерных реакторов
.pdf
41
При выходе реактора на мощность, происходит увеличение
линейной мощности твэла, что сопровождается следующими
структурными изменениями:
- 70Вт/ см происходит образование трещин в таблетке;
- 250 Вт/см происходит фрагментация таблетки, то есть разделение ее на
мелкие части;
- 300 Вт/см происходит смещение фрагментов относительно друг друга.
- при более высокой линейной мощности происходит перестройка
структуры таблеток: в центре образуется отверстие (центральный канал) и
вытянутые кристаллы (столбчатая структура), потом идет зона крупных
равноосных зерен, а на периферии сохраняется зона исходной структуры.
Частичная перестройка структуры возможна при повышении
температуры центра топливного столба более 1300 °С.
Полная перестройка структуры наблюдается только тогда, когда
температура центра топлива превышает 1700-1800 °С!
Таким образом процесс перестройки структуры характерен для твэлов
реакторов на быстрых нейтронах.
Перестройка структуры оксидного топлива
при выгорании
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
42
Перестройка структуры оксидного топлива
при выгорании
Схематическое
изображение эволюции
структуры МОХ-топлива
в процессе его
выгорания (сектор I –
исходная структура;
сектор II –
растрескивание топлива
при выходе реактора на
мощность; секторы IV и
IX – трещины в
структуре топлива после
остановки реактора;
секторы III и V – VIII –
структура топлива при
указанных выгораниях.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
43
Перестройка структуры оксидного топлива
при выгорании
а – 500 Вт/см; б – 600 Вт/см
Центральный канал образуется
из-за миграции пор под
воздействием механизма
испарение- конденсация.
Миграция пор идет только из
зоны столбчатых кристаллов.
Перестройка структуры
происходит в начальный
момент выгорания топлива, в
первые часы или дни.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
44
Перестройка структуры оксидного топлива в
реакторах на тепловых нейтронах при
глубоком выгорании
В реакторах на тепловых нейтронах при
выгорание В > 40 ГВт·сут/т U происходит
образование краевой или rim-зоны на
периферии топливного столба. С увеличением
глубины выгорания толщина rim-зоны
возрастает.
В последнее время образующуюся структуру
все чаще называют структурой высокого
выгорания (HBS – high burnup structure)
Керамография травленного образца диоксида урана
(выгорание 81 ГВт·сут./т U)
Зависимость ширины
реструктурированной области
от среднего выгорания.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
45
Перестройка структуры оксидного топлива в
реакторах на тепловых нейтронах при
глубоком выгорании
В тонкой периферийной области
таблетки нейтроны имеют энергию,
необходимую для инициирования
резонансного захвата изотопом
238
U.
Происходит накопление
239
Pu, что
увеличивает число делений и
локальное выгорание в 2-3 раза по
сравнению со средним значением по
таблетке.
Характеристики структуры высокого
выгорания
1. Высокая концентрация мелких пор.
2.Уменьшение размера зерен до 0,3 мкм.
3.Концентрация Pu выше чем в среднем по
таблетке.
4.Концентрация продуктов деления выше,
чем по таблетке, вследствие более глубокого
выгорания топлива в КЗ.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
46
Радиационное доспекание оксидного топлива
при выгорании
Происходит на начальной стадии выгорания топлива до 5
МВт·сут/кг U.
Доспекание приводит к:
Уменьшению диаметра и высоты топливного столба;
Увеличению зазора топливо-оболочка;
Ухудшению теплообмена между оболочкой твэла и топливом.
Увеличению температуры топливного столба, а следовательно
дополнительному выделению ГПД (Xe, Kr).
Таким образом, явление радиационного доспекания приводит к
ограничению начальной мощности реактора!
Влияние облучения на распределение пор
по размерам в нестабильном оксидном
топливе. Распределение пористости в
нестабильном топливе: 1 – исходная
пористость; 2 – начальное уплотнение
;
3 – дальнейшее уплотнение; 4 – конечная
пористость
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
47
Радиационное доспекание оксидного топлива
при выгорании
Доспекание ЯТ зависит от:
1. Исходной плотности топлива. Она не
должна быть слишком низкой ρ > 93% ТП
2. Размеров пор. Доминирование крупных
пор, размером более 2-3 мкм уменьшает
радиационное доспекание.
3. Размера зерен ЯТ. Чем больше размеры
ЯТ, тем меньше доспекание. Размеры
зерен должны быть >10 мкм..
Топливо, имеющее такие характеристики
называется термически стабильным.
Полностью избежать доспекания
не возможно!
Всегда существуют мелкие поры, но их
количество может меняться.
Изменение плотности топлива
Δρ/ρ
теор
от выгорания:
1, 2 – нестабильное топливо 92 и
95 % ТП ;
3, 4 – стабильное топливо с
плотностью
соответственно 92 и 95 % ТП
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
48
Перераспределение кислорода и актиноидов
в оксидном топливе
Высокие температуры и градиенты температур 500-600 °С/мм по
радиусу топливной таблетки являются движущей силой,
вызывающей перераспределение O
2
и Pu.
Радиальное перераспределение
кислорода в МОХ-топливе с
различными начальными
значениями О/М
Перераспределение кислорода
Изначально распределение кислорода по
всей таблетке одинаково.
Застехиометрическое. топливо.
При выгорании начинается миграция
кислорода от периферии к центру.
Достехиометрическое топливо.
При выгорании начинается миграция
кислорода от центра к периферии.
Это приводит к градиенту концентрации
кислорода по радиусу топливного столба
=> появляется градиент свойств,
ухудшает рабочие характеристики
топлива. Необходимо учитывать при
эксплуатации!
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
49
Перераспределение кислорода и актиноидов
в оксидном топливе
Перераспределение Pu
Перераспределение плутония в
МОХ-топливе с различными
исходными значениями О/М при
разной линейной мощности
Перераспределение Pu вызвано
неконгруэнтным
характером испарения
топлива при движении пор, формирующих
зону столбчатых кристаллов.
Рост С
Pu
вблизи центральной полости
приводит к росту Т, которая может
превысить Т
пл
. Линейная мощность твэла
должна быть уменьшена на величину,
доходящую до 130 Вт/см, что означает
ухудшение тепловых характеристик
топлива на ~25 %.
Перераспределение актиноидов
прекращается, как только все поры
достигнут центральной полости.
В твэлах с высокой удельной мощностью
этот процесс заканчивается примерно через
100 часов.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
50
Продукты деления в оксидном топливе
Продукты деления вызывают распухание, ускоряют
взаимодействие с оболочкой и воздействуют на многие свойства
топлива, такие как, например, температура плавления, теплопроводность,
ползучесть, прочность и др.
Выход основных продуктов деления на быстрых нейтронах
(включены элементы, выход которых составляет более 1 %)
0,2480,251Xe + Kr
0,0700,012I + Te
0,1890,226Cs + Rb
0,5160,263Ru +Tc + Rh + Pd
0,2030,240Mo
0,0960,149Ba + Sr
0,4710,534Y + другие РЗЭ
0,2040,298Zr + Nb
Pu
239
U
235
Выход элементов, ат. доли
Химическая группа
элементов
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)