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
71
Дисперсное ядерное топливо. Твэлы и ТВС
Технические характеристики и условия эксплуатации ТВС ИВВ-10
не менее 40
Средняя глубина выгорания U
235
в
выгружаемой ТВС, %
до 150 (кипение на поверхности твэлов
не допускается)
Температура оболочки твэла, °C
40 - 65Температура теплоносителя, °C
вода обессоленнаяТеплоноситель
3,1Масса, кг
металлокерамикаТопливо
алюминиевый сплавМатериал оболочек твэлов и концевых деталей
5,26
Поверхность теплосъема в единице объема
активной зоны, см
2
/см
3
148,1
Содержание U
235
в единице объема активной
зоны, г/л
287Масса U
235
, г
90Обогащение топлива по U
235
, %
1,4 (1,7)Толщина стенки твэла, мм
трехслойный, дисперсионныйТип твэла
6Количество твэлов в ТВС, шт.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
72
Особенности:
Высокая концентрация делящихся нуклидов.
Высокая цена. (Концентрация U
235
до 90 % => высокая стоимость
дисперсного ЯТ)
Чрезвычайно высокая радиационная стабильность ЯТ и глубина выгорания
до 30-40 %.
Сложная технология изготовления.
ДЯТ используют:
Исследовательские реакторы, т.к. необходимы мощные нейтронные потоки.
Транспортные реакторы, т.к. высокая надежность (радиационная
стабильность, сопротивление распуханию)
В процессе выгорания с поверхности топливных частиц летят ядра отдачи,
которые попадают в КМ и вокруг топливной частицы образуется зона
радиационного повреждения. Ширина этой зоны ~10 мкм. Это зоны с
измененными свойствами. Они содержат осколки деления вылетающие с
приповерхностного слоя топлива.
Образование пузырьков ГПД затруднено, т.к. топливо разделено
прослойками неповрежденного КМ.
Дисперсное ядерное топливо
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
73
Дисперсное ядерное топливо. СМ-3
Реактор СМ-3 (сверхмощный).
Топливная микрокампания всего 2 недели.
Активная зона реактора размером 420×420×350 мм с
центральной нейтронной ловушкой и отражателем из
металлического бериллия высотой 500 мм размещены
в стальном корпусе диаметром 1,46 м и высотой 7,33 м
и состоит из 28 топливных сборок. Активная зона
имеет высокую концентрацию
235
U и относительно
небольшую концентрацию ядер замедлителя, в
качестве которого используется легкая вода.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
74
Дисперсное ядерное топливо. СМ-3
В реакторе СМ-3 используётся тепловыделяющие
сборки трех типов, содержащие до 0,94 кг
235
U.
Обе ТВС представляют собой коробчатую жесткую
конструкцию из кожуха квадратного сечения
наружным размером 69,5×69,5 мм. Конструкция одной
из ТВС позволяет проводить облучение в активной
зоне материалов в 4-х специальных каналах
диаметром 11,9 мм.
В ТВС стержневые твэлы
крестообразного профиля с
ядерным топливом
дисперсионного типа в виде
двуокиси урана. Оболочка –
нержавеющая сталь;
матрица – медь с
бериллиевой бронзой.
Высота
активной
части твэла –
350 мм.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
75
Дисперсное ядерное топливо. СМ-3
Высокопоточная ловушка формируется бериллиевыми
вкладышами сложной формы, установленными в четыре
центральные ячейки. Вкладыши образуют в центре активной зоны
цилиндрическую полость ø105 мм
В ловушке достигается максимальная плотность
потока тепловых нейтронов – до 5·10
19
м
-2
с
-1
, а в
твэлах на границе активной зоны и ловушки –
максимальное энерговыделение. В отражателе
плотность потока тепловых нейтронов меньше,
чем в ловушке, но также достаточно высока, до
1,35·10
19
м
-2
с
-1
.
В качестве замедлителя нейтронов в ловушке
реактора СМ используется легкая вода или
бериллий.
Высокое удельное энерговыделение в активной
зоне (в среднем 2·10
9
Вт/м
3
) при сугубо
неравномерном его распределении (объемный
коэффициент неравномерности достигает 6,0);
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
76
Идеальная структура дисперсного ЯТ
d = d' + 2λ
M
d = D·[(0,74/V
f
)
1/3
– 1]
справедливо при V
f
0,74
Длина пробега осколков деления в некоторых
материалах
6,8
9,4
9,1
6,7
13,7
6,6
U
UO
2
Zr
Fe
Al
Аустенитная сталь
Средний линейный
свободный
пробег, мкм
Материал
98
49
11
180
90
20
d , мкмD , мкм
Зависимость расстояния
между частицами d от их
диаметра D для объемной
доли 0,2
Размер частиц 50 – 150 мкм,
зависит от геометрии, размера
топливной прослойки и т.д.
Чем больше Ø, тем меньше ПД
выходит и меньше повреждения.
Ø 100 мкм - 15 % ПД выходит
Ø 300 мкм – 5 %
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
77
Требования к дисперсному ЯТ
1. Размеры частиц делящейся фазы должны быть >> 2 λ
F
(λ
F
– длина пробега осколка делания в топливе).
2. Топливные частицы должны быть равномерно распределены
в матрице, чтобы избежать перекрытия зон радиационного
повреждения.
3. Предпочтительна сферическая форма топливных частиц, т.к.
обеспечивает минимальный выход ОД с поверхности .
4. Топливные частицы должны иметь остаточную пористость,
для снижения распухания.
5. Достаточная прочность, чтоб не происходило разрушение
при технологических операциях.
6. Расстояние между частицами >> 2 λ
M
.
7. Одинаковые размеры частиц.
8. Объем делящейся фазы такой, чтобы не происходило
перекрывания зон радиационного повреждения: 20 – 40 об. %.
Чем меньше диаметр, тем меньше объемная доля.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
78
Требования к дисперсному ЯТ
Требования к топливным частицам
1. Высокая радиационная стабильность.
2. Компоненты не должны иметь высокий паразитный захват
нейтронов.
3. Высокая ураноемкость (плотность). Это позволяет при той же
объемной доле загружать больше делящегося изотопа.
4. Остаточная пористость.
5. Хорошая совместимость с материалом матрицы (в рабочем
интервале температур)
Требования к материалу матрицы
1. Высокая радиационная стабильность (Al, Mg).
2. Минимальное сечение захвата нейтронов (Al, Zr, Mg).
3. Хорошая совместимость с топливом.
4. Высокая коррозионная стойкость в теплоносителе.
5. Хорошая теплопроводность.
6. Хорошая пластичность, прочность, технологичность.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
79
Виды дисперсного ЯТ
Mg-(U-9% Mo) (Обнинская, Белоярская, Билибинская станции)
Между Mg и U нет физико-химического взаимодействия до
температур плавления.
U-Mo – повышенная радиационная стойкость.
Al – UO
2
(ИРТ НИЯУ МИФИ)
Al – UAl
x
(x = 2, 3, 4) (интерметаллид)
UAl
2
, UAl
3
– в результате физико-химического взаимодействия они
переходят в UAl
4
. Это плохо, т.к. у UAl
3
плотность выше. Если в UAl
3
ввести
3% Sn (олово) или Zr устойчивость увеличивается.
UAl
4
– совместим с Al до Т
пл
.
Коррозионно-стойкая сталь – UO
2
(Т
раб
= 380-440 °С), тогда как композиции
с Al могут работать только при Т ≤ 100 °С
UC
2
– графит. Графит полностью совместим с UC
2
до Т
пл
. Используют в
ВТГР
Zr-(Zr-(20-40)% U)
Чем ниже рабочая температура,
тем большую глубину
выгорания топлива можно
получить!
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
80
Дисперсное ЯТ на основе микротвэлов
Топливо в виде мелких сфер диаметром несколько сотен
микрометров на которые наносят покрытия,
обеспечивающие работоспособность и
предотвращающие выход ПД в теплоноситель.
Это топливо для ВТГР (США, Англия, Германия, Россия, Китай)
Типы твэлов для ВТГР
Американская концепция HTGR (призматические блоки)
Активная зона набирается из призматических блоков. Требуется остановка
для перегрузки.
Более высокие температуры теплоносителя.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)