Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_7 том
.pdf
ФИЗИЧЕСКОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
В восьми томах
Под общей редакцией Б.А. Калина
Издание третье, переработанное
Том 7
ЯДЕРНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Рекомендовано ИМЕТ РАН в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению
«Ядерные физика и технологии».
Регистрационный номер рецензии 011
от 17 декабря 2007 г. МГУП
Москва 2021
Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации
Национальный исследовательский ядерный университет
«МИФИ»
УДК 620.22(075)
ББК 30.3я7
К 17
ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Учебник для вузов: В 8 т.
/
Под общей ред. Б.А. Калина. Изд. 3-е, перераб. – М.: НИЯУ МИФИ, 2021.
ISBN 978-5-7262-2724-5
Том 7.
ЯДЕРНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ / В.Г. Баранов, Ю.Г. Го-
дин, А.В. Тенишев, А.В. Хлунов, В.В. Новиков. Изд. 3-е, перераб. – М.:
НИЯУ МИФИ, 2021. – 640 с.
Учебник «Физическое материаловедение» представляет собой 8-том-
ное издание учебного материала по всем учебным дисциплинам базовой
материаловедческой подготовки, проводимой на 5–9 семестрах обучения
студентов по кафедре «Физические проблемы материаловедения» Нацио-
нального исследовательского ядерного университета «МИФИ».
Том 7 содержит описание применяемых и перспективных ядерных
топливных материалов, включая металлическое урановое и плутониевое
топливо, диоксидное урановое и смешанное уран-плутониевое топливо,
карбидное и нитридное урановое и смешанное уран-плутониевое топливо,
дисперсное ядерное топливо и дисперсное ядерное топливо на основе
микротвэлов. Подробно рассмотрены структурно-фазовые состояния ма-
териалов, свойства и применение.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по направлениям
«Ядерная физика и технологии» и «Материаловедение», и аспирантов,
специализирующихся в области физики конденсированных сред и мате-
риаловедения, и может быть полезен молодым специалистам в области
физики металлов, твердого тела и материаловедения.
ISBN 978-5-7262-2724-5
ISBN 978-5-7262-2731-3 (т. 7)
© Национальный исследовательский
ядерный университет «МИФИ», 2021
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Основные условные обозначения и сокращения ........................................... 9
Предисловие тому 7 ....................................................................................... 12
Глава 29. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЯДЕРНОМ ТОПЛИВЕ ......................... 15
29.1. Состав ядерного топлива и его классификация ............................ 19
29.2. Выгорание и энергонапряженность ядерного топлива ................. 20
29.3. Условия работы топливных материалов ........................................ 22
29.4. Требования к ядерному топливу .................................................... 23
29.5. Особенности ядерного топлива ...................................................... 24
29.6. Тепловыделяющие элементы .......................................................... 25
Контрольные вопросы .................................................................................... 28
Глава 30. МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО ............................... 29
30.1. Уран и его сплавы ............................................................................ 29
30.1.1. Получение металлического урана.
Макро- и микроструктура..................................................... 30
30.1.2. Физические свойства урана .................................................. 34
30.1.3. Механические свойства урана ............................................. 41
30.1.4. Поведение урана при циклических изменениях
температуры........................................................................... 52
30.1.5. Термическая обработка урана .............................................. 60
30.1.6. Сплавы урана ......................................................................... 68
30.1.7. Диаграммы состояния двойных сплавов урана .................. 70
30.1.8. Диаграммы состояния тройных сплавов урана .................. 77
30.1.9. Альфа-сплавы урана ............................................................. 78
30.1.10. Гамма-сплавы урана ............................................................ 97
30.1.11. Сплавы уран-фиссиум ....................................................... 102
30.1.12. Коррозия урана .................................................................. 105
30.1.13. Совместимость урана и его сплавов
с конструкционными материалами оболочек твэлов ..... 110
30.1.14. Влияние облучения на уран и его сплавы ....................... 117
30.2. Плутоний и его сплавы .................................................................. 135
30.2.1. Получение металлического плутония
и его обработка .................................................................... 136
30.2.2. Физические свойства плутония .......................................... 138
30.2.3. Механические свойства плутония ...................................... 142
30.2.4. Фазовые превращения в плутонии ..................................... 143
30.2.5. Поведение плутония при циклических
изменениях температуры .................................................... 147
30.2.6. Термическая обработка плутония ...................................... 150
4
30.2.7. Коррозия плутония .............................................................. 150
30.2.8. Сплавы плутония ................................................................. 152
30.2.9. Самооблучение плутония и его сплавов ............................ 164
Контрольные вопросы .................................................................................. 168
Глава 31. ОКСИДНОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО .......................................... 171
31.1. Технология получения таблетированного
оксидного топлива ......................................................................... 173
31.1.1. Технологические свойства порошков ............................... 173
31.1.2. Получение порошков UO
2
, PuO
2
и (U, Pu) О
2
.................... 174
31.1.3. Требования к таблеткам ...................................................... 181
31.1.4. Получение таблеток ............................................................ 186
31.1.5. Получение и использование
гранулированного топлива ................................................. 213
31.2. Структурно-фазовое состояние оксидов ...................................... 222
31.2.1. Диаграмма состояния системы уран–кислород ................ 224
31.2.2. Диаграмма состояния системы плутоний–кислород ........ 225
31.2.3. Диаграмма состояния системы
уран–плутоний–кислород ................................................... 226
31.2.4. Кристаллическая структура и межатомная связь.............. 227
31.2.5. Фазовое состояние и микроструктура................................ 228
31.2.6. Нестехиометрия оксидов ..................................................... 228
31.3. Физико-химические свойства диоксидов .................................... 230
31.3.1. Кислородный потенциал ..................................................... 230
31.3.2. Испарение оксидного топлива ............................................ 236
31.3.3. Теплофизические свойства топливных оксидов ............... 239
31.3.4. Электропроводность ............................................................ 259
31.3.5. Диффузионная подвижность .............................................. 260
31.4. Механические свойства ................................................................. 261
31.4.1. Упругие характеристики ..................................................... 261
31.4.2. Прочность и пластичность .................................................. 262
31.4.3. Термическая ползучесть ...................................................... 264
31.4.4. Радиационная ползучесть ................................................... 271
31.5. Совместимость диоксида с конструкционными
материалами и теплоносителями ................................................. 274
31.6. Структурные изменения при выгорании ..................................... 278
31.6.1. Перестройка структуры ....................................................... 279
31.6.2. Образование структуры высокого выгорания
в топливе реакторов на тепловых нейтронах .................... 284
31.6.3. Поры в оксидном топливе ................................................... 304
31.6.4. Рост столбчатых зерен ......................................................... 311
31.6.5. Рост равноосных зерен ........................................................ 312
5
31.6.6. Радиационное доспекание ................................................... 314
31.7. Перераспределение кислорода и актиноидов ....................... 317
31.7.1. Перераспределение кислорода ........................................... 317
31.7.2. Перераспределение актиноидов ......................................... 320
31.8. Состояние и поведение твердых продуктов деления ................. 322
31.8.1. Физическое состояние продуктов деления ........................ 324
31.8.2. Химическое состояние продуктов деления ....................... 325
31.8.3. Влияние выгорания на кислородный потенциал .............. 330
31.8.4. Миграция продуктов деления ............................................. 332
31.9. Физико-химическое взаимодействие МОХ-топлива и продуктов
деления с оболочкой из коррозионно-стойкой стали в твэлах
быстрых реакторов ........................................................................ 335
31.9.1. Окисление коррозионно-стойкой стали ............................ 335
31.9.2. Взаимодействие оболочки твэла
из коррозионно-стойкой стали
с продуктами деления ......................................................... 337
31.10. Радиационное распухание и выделение газообразных
продуктов деления ....................................................................... 341
31.10.1. Распухание из-за накопления твердых ПД ...................... 341
31.10.2. Распухание из-за накопления газообразных ПД ............. 343
31.10.3. Факторы, влияющие на выход газообразных
продуктов деления ............................................................ 348
Контрольные вопросы .................................................................................. 352
Глава 32. КАРБИДНОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО ........................................ 355
32.1. Диаграммы состояния простых и смешанных
карбидов урана и плутония ........................................................... 357
32.1.1. Диаграмма состояния системы уран–углерод .................. 357
32.1.2. Диаграмма состояния системы плутоний–углерод .......... 359
32.1.3. Диаграмма состояния системы
уран–плутоний–углерод ..................................................... 361
32.2. Свойства карбидов урана и плутония .......................................... 362
32.2.1. Механические свойства ...................................................... 362
32.2.2. Теплофизические свойства ................................................. 367
32.2.3. Диффузионная подвижность .............................................. 373
32.2.4. Испарение карбидного топлива ......................................... 377
32.3. Влияние облучения на свойства карбидного топлива ................ 379
32.3.1. Радиационная ползучесть ................................................... 379
32.3.2. Влияние облучения на диффузионные процессы............. 380
32.3.3. Изменение микротвердости при облучении ..................... 381
32.3.4. Изменение те
плопроводности ............................................ 381
6
32.4. Совместимость карбидов урана и плутония
с конструкционными материалами .............................................. 381
32.4.1. Совместимость с аустенитными сталями .......................... 382
32.4.2. Совместимость плутонийсодержащих карбидов
с материалами оболочки ..................................................... 385
32.4.3. Влияние облучения на совместимость карбидов урана
и плутония с конструкционными материалами ................ 386
32.5. Радиационное распухание ............................................................. 393
32.5.1. Радиационное распухание монокарбида урана ................. 393
32.5.2. Радиационное распухание смешанных карбидов ............. 397
32.5.3. Механизм распухания карбидного топлива ...................... 401
32.6. Перестройка структуры топлива в результате облучения .......... 403
32.7. Выделение ГПД из карбидного топлива ...................................... 405
32.7.1. Радиальное распределение ГПД ......................................... 405
32.7.2. Факторы, влияющие на выделение ГПД ........................... 406
32.7.3. Выделение ГПД из смешанных карбидов урана
и плутония............................................................................ 410
32.8. Поведение твердых продуктов деления и плутония ................... 415
32.8.1. Распределение твердых продуктов деления ...................... 415
32.8.2. Распределение плутония ..................................................... 418
32.9. Влияние ПД на взаимодействие топлива с оболочкой твэла ..... 420
Контрольные вопросы .................................................................................. 422
Глава 33. НИТРИДНОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО ........................................ 423
33.1. Получение нитридного ядерного топлива ................................... 424
33.1.1. Карботермический метод .................................................... 424
33.1.2. Получение из исходных металлов ...................................... 426
33.1.3. Изготовление топливных сердечников .............................. 428
33.2. Физико-химические свойства нитридов ...................................... 429
33.2.1. Диаграмма состояния системы уран-азот .......................... 429
33.2.2. Диаграмма состояния системы плутоний-азот ................. 431
33.2.3. Диаграмма состояния системы уран–плутоний–азот ....... 432
33.2.4. Термическая стабильность уранового и смешанного
уран-плутониевого нитридного топлива ........................... 434
33.3. Механические свойства нитридов ................................................ 437
33.3.1. Твердость и микротвердость .............................................. 437
33.3.2. Термическая ползучесть мононитрида .............................. 437
33.3.3. Упругие модули смешанного уранового
и уран-плутониевого нитридного топлива ........................ 439
33.4. Теплофизические свойства мононитридов .................................. 442
33.4.1. Тепловое расширени
е и параметр решётки ....................... 442
7
33.4.2. Теплоёмкость ....................................................................... 443
33.4.3. Теплопроводность .............................................................. 448
33.5. Диффузия компонентов в мононитриде ...................................... 457
33.6. Совместимость мононитридого топлива
с материалами оболочек ............................................................... 458
33.7. Влияние облучения на свойства мононитрида ........................... 460
33.7.1. Радиационная ползучесть ................................................... 460
33.7.2. Радиационное распухание нитридного топлива. .............. 462
33.7.3. Перестройка структуры ....................................................... 464
33.8. Выделение ГПД из нитридного топлива ..................................... 465
33.8.1. Радиальное распределение ГПД ......................................... 465
33.8.2. Факторы, влияющие на выделение ГПД ........................... 466
Контрольные вопросы .................................................................................. 468
Глава 34. ДИСПЕРСНОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО ..................................... 469
34.1. Структура дисперсного ядерного топлива .................................. 470
34.1.1. Идеальная структура ДЯТ ................................................... 472
34.1.2. Реальная структура ДЯТ ..................................................... 477
34.2. Свойства материалов матрицы и топлива ................................... 479
34.2.1. Материалы матриц ............................................................... 479
34.2.2. Делящиеся материалы ......................................................... 483
34.3. Влияние состава и свойств исходных компонентов
на свойства ДЯТ ............................................................................. 486
34.4. Совместимость компонентов ДЯТ ............................................... 489
34.5. Радиационная стабильность ДЯТ ................................................. 496
34.6. Применение ДЯТ в ядерных реакторах ....................................... 500
34.6.1. ДЯТ с матрицей из алюминия ............................................ 500
34.6.2. ДЯТ с матрицей из магния .................................................. 516
34.6.3. ДЯТ с матрицей из аустенитной стали .............................. 519
34.6.4. ДЯТ с матрицей из никеля .................................................. 528
34.6.5. ДЯТ с матрицей из тугоплавких металлов ........................ 531
34.6.6. ДЯТ с оксидной матрицей .................................................. 535
34.7. Топливо на основе инертных матриц ........................................... 539
Контрольные вопросы .................................................................................. 543
Глава 35. ДИСПЕРСНОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО
НА ОСНОВЕ МИКРОТВЭЛОВ .................................................. 545
35.1. Дисперсные твэлы и ТВС ВТГР ................................................... 547
35.2. Микротвэлы и их конструктивные особенности ........................ 550
35.2.1. Характеристики топливных микросфер ............................ 550
35.2.2. Типы покрытий и назначение входящих в них слоев ....... 551
35.2.3. Толщина слоев покрытия .................................................... 554
8
35.3. Топливные микросферы ................................................................ 560
35.3.1. Методы получения микросфер ........................................... 560
35.3.2. Химический состав микросфер .......................................... 561
35.3.3. Совместимость МС с пироуглеродом ................................ 563
35.4. Строение и свойства покрытий .................................................... 565
35.4.1. Пироуглеродные покрытия. Методы нанесения ............... 566
35.4.2. Структура пироуглерода ..................................................... 566
35.4.3. Микроструктура пироуглерода .......................................... 567
35.4.4. Анизотропия пироуглерода ................................................ 570
35.4.5. Физико-химические свойства пироуглеродных
покрытий .............................................................................. 572
35.4.6. Радиационная стойкость пироуглерода ............................. 575
35.4.7. Покрытия из карбида кремния............................................ 584
35.4.8. Метод нанесения карбидных слоев .................................... 584
35.4.9.Структура карбидных покрытий ......................................... 585
35.4.10. Свойства и радиационная стойкость покрытия SiC ....... 586
35.5. Выход продуктов деления из топлива ВТГР ............................... 588
35.5.1. Выход осколочных элементов при делении ядер урана
и их свойства ....................................................................... 589
35.5.2. Химическое состояние продуктов деления ....................... 592
35.5.3. Источники утечки продуктов деления
из топлива ВТГР .................................................................. 594
35.5.4. Механизмы миграции и утечки продуктов деления
из топлива ВТГР .................................................................. 597
35.5.5. Утечка газообразных и легколетучих продуктов
деления из микротвэлов ...................................................... 609
35.6. Миграция топливных микросфер в микротвэлах ........................ 614
35.7. Коррозия покрытий микротвэлов ................................................. 622
35.8. Напряженно-деформированное состояние микротвэлов ........... 626
Контрольные вопросы .................................................................................. 631
Список литературы ....................................................................................... 633
Предметный указатель ................................................................................. 634
9
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
И СОКРАЩЕНИЯ
A – атомная масса, константа
а – температуропроводность, пара-
метр решетки, константа, актив-
ность
B – константа, выгорание, скорость
образования изотопа ПД
b – выгорание, параметр решетки,
константа
С
V
– удельная теплоемкость при
постоянном объеме
С
р
– удельная теплоемкость при
постоянном давлении
с – параметра решетки, концентра-
ция
D – диаметр, коэффициент диффу-
зии
d – диаметр зерна, диаметр поры,
расстояние
Е – модуль упругости, энергия
E
0
– энергия активации
E
ш
– энергия образования дефектов
Шотки
Е
ф
– энергии образования пары
анионных дефектов Френкеля
Е
с
– энергия активации ползучести
Е
ст
– энергия образования ступени
*
U
E – энергия активации движения
иона урана
e – заряд электрона
F – выход продуктов деления,
равновесная утечка ПД, фактор
формы пор
F() – функция
F(t) – относительная утечка ПД
F
– скорость деления
f,
f
′
– относительная утечка ПД из
МТ
G – модуль сдвига
G
i
– безразмерный коэффициент
радиационного роста
G
t
– безразмерный коэффициент
термического роста
2
O
GΔ – кислородный потенциал
O
ПД
GΔ – энергия образования
оксида продукта деления
H – твердость
H
v
– микротвердость по Виккерсу
2
O
HΔ – энтальпия растворения
кислорода
IMF – топливо на основе инертной
матрицы
K – коэффициент миграции МС,
константа
K
а
– коэффициент анизотропии
(коэффициент Бэкона BAF)
k – постоянная Стефана–Больцмана
k
p
– коэффициент, зависящий от
относительного объема, размера
и распределения пор
L
a
– ширина пакета графитовых
слоев
L
c
– высота укладки графитовых
слоев
l – длина свободного пробега фо-
нонов, длина образца, доля топ-
лива
М(t) – количество нуклида в мо-
мент времени t
m – масса
Δm/m – выгорание, выраженное
через количество разделившихся
атомов
N – число циклов
10
n – показатель степени, коэффици-
ент преломления
P – вероятность
P(f) – суммарная доля осколков
деления, вышедших из области
непосредственно под поверхно-
стью частицы
Р(а) – доля вылетевших из топлив-
ной частицы продуктов деления
р – пористость, давление
2
O
p – равновесное парциальное
давление кислорода
Q – энергия активации
Q
*
– теплота переноса углерода
q
l
– линейная мощность твэла
q
V
– тепловой поток, плотность
тепловыделения, объемное энер-
говыделение
R – универсальная газовая посто-
янная, тепловое сопротивление
материала, скорость утечки изо-
топа ПД, радиус топливной таб-
летки
r – средний атомный радиус, теку-
щий радиус топливной таблетки
r/r
0
– относительный радиус топ-
ливной таблетки
2
O
SΔ – энтропия растворения
кислорода
S – скорость распухания, площадь,
суммарная толщина покрытия
Т – температура
t – время
t
1/2
– период полураспада
V – объем
V
f
– объемная доля топливной фазы
V
m
– объемная доля матрицы,
которая не повреждается продук-
тами деления
V
ПД
– объем продуктов деления
v – скорость, средняя скорость
фонона
v
выдел
– скорость выделения ГПД
v
обр
– скорость образования ГПД
W – скорость коррозии
w –мощность
x – отклонение от стехиометрии
Y – выход данного изотопа на
деление
y
i
– атомная доля точечных дефек-
тов
Z – валентность
Z
Pu
– валентность плутония
Z
U
– валентность урана
Ф – поток нейтронов
Φ(ε) – поток нейтронов с энергией ε
Г
i
– сечение рассеяния фононов
точечными дефектами i-ого типа
α – коэффициент поглощения,
коэффициент линейного терми-
ческого расширения (КЛТР)
cos
2
α – ориентационный фактор
δ – пластичность, относительное
удлинение, ширина зазора
ε
– скорость ползучести
0
ε – максимальная скорость ползу-
чести
η – феноменологический параметр
Λ – интегральная теплопровод-
ность
λ – коэффициент теплопроводно-
сти, постоянная распада, длина
пробега
λ
е
– электронная составляющая
теплопроводности;
λ
р
– составляющая теплопроводно-
сти обусловленная излучением
λ
ф
– фононная составляющая теп-
лопроводности
λ
f
– длина пробега продукта деле-
ния в частице
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)