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
81
Дисперсное ЯТ на основе микротвэлов
Типы твэлов для ВТГР
Топливные
частицы в
графитовой
матрице
Несколько
слоев
покрытий
Шаровой твэл
Немецкая концепция AVR (шаровые твэлы)
Шаровые твэлы свободно
загружаются в реактор и
выгружаются на ходу без
остановки.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
82
Виды микротвэлов
Топливная микросфера (МС)
Слой PyC1
«Буферный» слой пироуглерода
плотностью ~ 50 % от ρ
теор
= 2,27 г/см
3
Слой PyC2
Плотный пироуглерод. ρ = 1,85-1,95 г/см
3
Слой SiC3
Карбид кремния
Слой PyC4
Плотный пироуглерод. ρ = 1,85-1,95 г/см3
Микротвэл с ПИУК (TRISO)
покрытием
Микротвэлы с ПИУ (BISO) покрытием содержит только два слоя (PyC1 и
PyС2) и используются при более низких рабочих температурах.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
83
Микротвэлы. Назначение слоев покрытий
Слой PyC1
- низкая плотность и аморфная структура, которая практически не
повреждается осколками деления;
-воспринимает без передачи последующим слоям покрытия объемные изменения МС,
обусловленные ее термическим расширением и распуханием;
-защищает вышележащий слой PyC2 от воздействия осколков деления;
-в порах буферного слоя происходит накопление вышедших из МС ПД, что уменьшает давление в
МТ, снижая тем самым напряжения в его слоях.
Слой РуС2
- изотропный с высокой плотностью;
- практически непроницаем для ГПД, а также ряда твердых ПД (Nb, Zr, Ru, а в случае оксидных
МС – Се и Y);
- под облучением слой РуС2 имеет тенденцию к сжатию;
- не является надежным барьером для таких твердых ПД, как
90
Sr,
110
Ag,
140
Ba,
144
Cs.
Слой SiC3
- проницаемость твердыми ПД при 1100÷1300 °C в 100÷1000 раз меньше чем слоя РуС2;
- придает МТ более высокую прочность, ограничивает развитие трещин, образующихся в
прилегающих к нему слоях РуС;
снижает загрязнение тяжелыми металлами покрытия и матричного графита при
высокотемпературных технологических операциях.
Слой РуС4
- предохраняет слой SiC от механических и химических повреждений (слой SiC обладает
высокой твердостью, очень хрупок и легко растрескивается при возникновении в нем
растягивающих напряжений);
- повышает прочностные характеристики SiC в процессе облучения (препятствует развитию в нем
растягивающих напряжений).
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
84
Микротвэлы. Толщина слоев покрытий
Микротвэл – сосуд высокого давления (до несколько десятков МПа).
Толщины слоев должны быть строго определенными в соответствии с
напряженно деформированным состоянием на конец топливной
компании, которое можно определить только расчетным путем!
Чем больше диаметр топливной микросферы тем больше должна быть
толщина слоев покрытий.
Толщина слоя РуС1 должна обеспечивать полное торможение осколков
деления в нем.
Толщины остальных слоев рассчитываются на основе прочностных моделей
исходя из давления в микротвэле.
Необходимо стремиться к минимальной толщине для размещения
максимального количества топлива в АЗ.
Типичные размеры для МТ:
Ø МС – 500 ± 50 мкм
РуС1 – 90 мкм (ρ = 1 г/ см
3
)
РуС2 – 60 мкм
SiC3 – 50 мкм
РуС4 – 50 мкм
Задача микротвэлов – обеспечение
минимального выхода ПД.
F – относительная утечка ПД F = R/B
,
R – скорость утечки ПД,
В – скорость образовании ПД
ГПД F = 10
-5
-10
-6
ТПД F = 10
-3
-10
-4
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
85
Топливные микросферы
Получение - золь-гель процесс
3U
3
O
8
+20HNO
3
(ж) → 9UO
2
(NO
3
)
2
(ж) + 10H
2
O + 2NO(г)
2UO
2
(NO
3
)
2
(ж) + 3NH
4
OH → (NH
4
)
2
U
2
O
7
(тв) + 2NH
4
NO
3
(ж) + H
2
O
2UO
2
(NO
3
)
2
(ж) + NH
4
OH(ж) → 2UO
2
(NO
3
)
1.5
(OH)
0.5
(ж) + NH
4
NO
3
(ж)
2UO
2
(NO
3
)
1.5
(OH)
0.5
(ж) + NH
4
OH → (NH
4
)
2
U
2
O
7
(тв) + NH
4
NO
3
(ж) + H
2
O
МС после затвердевания (a) и сушки (b)
МС после окисления (a) и спекания (b)
Внешнее
гелеобра-
зование
Внутреннее
гелеобра-
зование
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
86
Требования к топливным МС
1. Высокая степень сферичности (от этого зависят
эксплуатационные характеристики в целом).
2. Остаточная пористость для уменьшения распухания
(обеспечение свободного объема для осколков деления).
3. МС должны иметь высокую прочность, так как твэлы
получают методом прессования.
4. Наиболее высокая плотность по делящимся нуклидам.
5. Совместимость с графитом.
В микротвэлах в качестве МС используются: UC
2
, UO
2
, UC.
Планируется организовать уран-ториевый топливный цикл.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
87
Пироуглеродные покрытия
Получают на МС путем высокотемпературного разложения
углеводородов (C
x
H
y
) в аппаратах «кипящего» слоя.
При Т < 900 ˚С образуется пористое аморфное покрытие (PyC1).
При Т>1200 ˚С получают покрытия РуС2 и РуС4
При разложении СНSiCl
3
при Т=1500˚С на поверхности частицы
образуется слой SiC3.
Установка для нанесения
слоев покрытий
Расположение атомов в пиролитическом углероде:
а – в отдельном слое; б – в параллельных слоях в кристаллите;
1 – атом углерода; 2 – вакантный узел кристаллической
решетки; 3 – сильная ковалентная связь
Структура пироуглеродный покрытий.
РуC1 аморфный, высокопористый.
РуС2 и РуС4 имеют турбостратную структуру,
которая похожа на структуру графита. Связь
между слоями слабая.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
88
Пироуглеродные покрытия
Различают три типа компонентов микроструктуры:
1. Слоистый компонент (б) (турбостратная структура).
2. Мозаичный компонент (в) (турбостратная структура).
3. Волокнистый сажеподобный компонент (г) (аморфная структура).
Квазиизотропный пироуглерод.
Кристаллические компоненты (1 и 2) связанные аморфными прослойками (3).
Низкотемпературный изотропный (НТИ)
состоит из волокнистой и мозаичной компоненты (2 и 3)
Высокотемпературный изотропный (ВТИ)
состоит из слоистой и волокнистой компоненты (1 и 3)
НТИ наносится при Т = 1200-1400˚С
ВТИ при Т= 1800-2000˚С
НТИ обладает более высокой радиационной стабильностью, но хуже
удерживает ПД, чем ВТИ покрытие.
НТИ используют в ПИУК-покрытиях, а ВТИ в ПИУ.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
89
Влияние облучения на покрытия МТ
1. При облучении покрытий из пироуглерода происходит
увеличение размера «с» - межслоевого расстояния, а
расстояние в одном слое «а» - уменьшается.
2. Происходит графитизация волокнистой составляющей –
переход из аморфного состояния в кристаллическое.
Изменяются размеры, объем и плотность покрытий.
Если начальная плотность 1,85 – 1,95 г/см
3
то изменения
минимальны.
3. Увеличивается степень анизотропии покрытий, что приводит
к увеличению внутренних напряжений между кристаллитами
пироуглерода и возможности растрескивания покрытий.
4. Слой SiC3 мало подвержен влиянию облучения и
практически не меняется при выгорании топлива.
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
90
Утечка ПД из МТ
Причины утечки:
1. Образование трещин в покрытии МТ при
технологических операциях.
2. Образование микротрещин в покрытии МТ при
облучении, вследствие анизотропии радиационного роста
кристаллов пироуглерода.
3. Загрязнение покрытий топливными материалами при
высокотемпературном нанесении. Так как при высоких
температурах, уран диффундирует в покрытие.
Утечке в основном подвержены следующие ПД:
Cs , Ba, Sr, Ag
Тенишев А.В. «Материалы ядерных реакторов» для групп Ф7-0Х, г. Москва, 2013
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)