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
51
Физическое состояние ПД в оксидном ЯТ
По физико-химическому взаимодействию с матрицей
оксидного ядерного топлива ПД подразделяются на
следующие группы:
1. ПД растворимые в топливе (лантаноиды, Zr, La).
2. ПД нерастворимые в топливе и образующие
самостоятельные оксидные фазы типа (Ba,Sr)
Zr
O
3
.
3. ПД, образующие металлические фазы (Pu, Rh, Pd, Tс
и Мо) в виде сплавов этих элементов.
4. Легколетучие ПД: Rb, Cs, Te, I.
5. Газообразные ПД: Xe, Kr
6. Осколочный молибден, который может находиться
либо в металлическом состоянии, либо в виде оксида.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
52
Химическое состояние ПД в оксидном ЯТ
Когда осколок деления
находится в оксидном топливе,
возможна следующая реакция:
n
ПД
n
ПД
n
O)(
2
O)(
2
2
Зависимость свободной энергии
Гиббса образования оксидов
продуктов деления, а так же
кислородного потенциала UO
2±x
и
(U,Pu)O
2±x
от температуры
ПД также взаимодействуют между
собой, и их химия очень сложная.
Осколочный Cs, выход которого в 2 раза
больше выхода I, образует соединение CsI.
CsI разлагается под действием облучения,
образуется I (газ) который вызывает
коррозионное растрескивание оболочек
твэла.
Образуются Cs
2
UO
4
, Cs
2
MoO
4
, Cs
2
Te.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
На примере топлива БН с перестройкой структуры.
Легколетучие ПД концентрируются в зазоре топливо-оболочка. (Cs, I, Te).
Металлическая фаза (сплав: Mo с Ru, Rh, Pd, Tc) располагается по границе
зерен в зоне столбчатых кристаллов.
Оксидные фазы (Ba,Sr)ZrO
3
располагаются по границам равноосных зерен
В холодной хрупкой области исходной структуры, ПД присутствуют в
атомарном состоянии и не образуют самостоятельных фаз.
Миграция и перераспределение продуктов
деления в оксидном топливе
Изменение кислородного
потенциала топлива при
выгорании
(на примере MOX-топлива)
Влияние выгорания на кислородный потенциал,
степень окисления молибдена и валентность
плутония в МОХ-топливе состава (U
0,85
,Pu
0,15
)О
1,96
53
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
54
Распухание оксидного ЯТ
«Твердое» распухание Газовое распухание
Растворение ПД в кристаллической решетке
оксидного топлива, образование
самостоятельных фаз с меньшей плотностью.
Малый вклад в изменение объема.
Образование и рост
газовых пузырьков.
Основной вклад в
изменение объема!
Зависит от глубины выгорания
топлива и начальной плотности
топлива, т.е. наличия пористости,
т.к. пористость выступает буфером
для изменения объема.
Твердое распухание
Если общее изменение объема на 1%
выгорания составляет 1,2 -1,5%, то
на долю твердого распухания
приходится 0,3-0,4% на 1 %
выгорания
1 – Пористость = 0; 2 - 0,04; 3 – 0,12
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
55
Газовое распухание оксидного ЯТ
Необходимые условия для газового распухания:
1. Накопление ГПД (выгорание).
2. Миграция ГПД (возможна при высоких температурах).
При миграции ПД встречают вакансии, образованные
выбитыми из решетки атомами, и образуют зародыши
газообразных пузырьков. По мере миграции пузырьки
увеличиваются и в них возрастает давление, что приводит к
увеличению механической нагрузки на топливо.
Механизмы миграции ГПД:
1. Как ядра отдачи (осколки деления). Длина миграции до 10
мкм.
2. В концентрационном поле за счет диффузии.
3. Вместе с протяженными дефектами кристаллической
решетки (дислокациями).
4. В поле градиента температур.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
56
Газовое распухание оксидного ЯТ
Видны межзеренные пузырьки (МЗП) по
границам – G (неправильной формы, дают
основной больший в распухание) и
внутризереннные пузырьки (ВЗП)
расположенные в теле зерна – I (мелкие,
круглые, находятся в равновесии с матрицей)
Образуются газовые пузырьки двух
типов.
Поверхность излома
облученного оксидного
топливного сердечника.
Схема структур (а) и распределение
пористости (б) по радиусу сердечника твэла
(цифры на рисунке означают размер
равноосных зерен)
Распухание обусловлено:
Образованием МЗП
Радиационной ползучестью
периферии топлива
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
57
Факторы, влияющие на распухание
оксидного ЯТ
1. Наличие пористости уменьшает распухание ЯТ
2. Выгорание ЯТ, чем больше выгорание, тем больше
распухание. Между выгоранием и распуханием существует
линейная зависимость.
3. Температура. Чем выше Т, тем больше распухание. Т зависит
от линейной мощности твэла.
4. Величина нестехиометрии, чем больше отклонение от
стехиометрии, тем выше диффузионная подвижность атомов
ГПД, тем сильнее распухание.
Распухание оксидного ЯТ составляет
1,5 – 2 % на 1% выгорания тяжелых атомов.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
58
Выход ГПД из оксидного ЯТ под оболочку
твэла
Выделение ГПД под оболочку твэла играет отрицательную роль,
т.к. Xe и Kr имеют низкую теплопроводность и повышают термическое
сопротивление зазора топливо-оболочка, что приводит к повышению
рабочих температур топлива и ускорению негативных процессов в твэлах.
На выделение ГПД влияют:
1. Величина пористости таблеток топливного столба,
чем она выше, тем больше выходГПД.
2.Температура, чем выше Т, тем выше выход ГПД.
1300К – 0.5% ГПД от всех ГПД
1300-1600 К – 10%
1600-1900 – 60%
>1900К – 95%
3. Размеры зерен, чем больше зерно, тем выше ГПД.
На данный момент размер зерна 20-30 мкм.
4. Глубина выгорания топлива, чем больше, тем
больше выход ГПД
5. Скорость делений, чем больше, тем меньше выход
ГПД
6. Линейная мощность твэлов
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
59
Бескислородное керамическое ЯТ
Карбиды и нитриды урана.
Недостатки UO
2
:
Низкая теплопроводность => тонкие твэлы
Низкая плотность топлива => больше АЗ и малый КВ.
Достоинства бескислородного топлива:
Высокая теплопроводность, до 10 раз выше, чем у UO2.
Высокая плотность бескислородного ЯТ => выше КВ у БР
Недостатки бескислородного топлива:
Сложная технология получения
При использовании карбидного топлива происходит
науглероживание оболочки твэла => снижение пластичности.
Нитридное топливо при Т> 1700 °С дисcоциирует с
образованием металлического урана
14
N высокое сечение захвата тепловых нейтронов - 1,88 барн.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
60
Карбидное ЯТ
В системе уран–углерод существуют три карбидные фазы
UC, U
2
C
3
и UC
2
11,67a = 547,0
ГЦК,
тип KCl
-UC
2
11,68
a = 351,3
c = 598,7
Тетрагон
альная,
тип CaC
2
-UC
2
12,90
a =
808,89
ОЦКU
2
C
3
13,63а = 496,0
ГЦК, тип
NaCl
UC
1± x
Плотнос
ть, г/см
3
Парамет
ры
решетки,
пм
Тип
решетки
Карбидн
ая
фаза
В системе Pu–C существуют четыре
карбидные фазы: Pu
3
C
2
, PuC, Pu
2
C
3
и PuC
2
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)