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
271
плотности от 96 до 88 % от теоретической скорость ползучести
увеличивается в ~
5 раз.
31.4.4. Радиационная ползучесть
Скорость ползучести смешанных оксидов урана и плутония сте-
хиометрического состава в условиях реакторного облучения
пропорциональна как приложенной нагрузке σ, так и скорости де-
лений :
F
~
F
εσ⋅
. (31.54)
Влияние облучения на пол-
зучесть имеет двоякий харак-
тер. При высокой температуре
облучение ускоряет ползучесть
(в несколько раз при низких
напряжениях); это явление
называется радиационно-сти-
мулированной ползучестью
или просто – радиационной
ползучестью. В то же время
при низких температурах, где
термическая ползучесть мала,
наблюдается независимая от
температуры (атермическая)
радиационная ползучесть.
Ползучесть, вызванная об-
лучением при низких темпера-
турах, представлена на
рис. 31.52 широкой горизон-
тальной полосой. Вследствие
большого разброса данных, скорость радиационной ползучести из-
вестна только с точностью до порядка величины.
Результаты, подобные показанным на рис. 31.50 для UO
2
, были
также получены и для смешанных оксидов. При этом оказалось,
что введение диоксида плутония в диоксид урана увеличивает ско-
рость как термической, так и радиационной ползучести.
Переход от одного вида ползучести к другому для UО
2
стехио-
метрического состава соответствует температуре ~
1475 К (для
Рис. 31.52. Зависимость скорости
термической ползучести диоксида
урана от температуры и влияние
на нее облучения
272
МОХ-топлива эта температура равна 1200
±
50 К). Температурная
зависимость радиационной ползучести МОХ-топлива может быть
представлена выражением:
5
20
2,69 10 exp( 387000/ )
1,72 10 .
f
F
RT
F
−
−
ε= ⋅ ⋅σ⋅ ⋅ − +
+⋅ ⋅σ⋅
(31.55)
Скорость ползучести достехиометрического МОХ-топлива
(U, Pu)
О
1,97
заметно не отличается от скорости ползучести топлива
стехиометрического состава.
Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том,
что скорость ползучести МОХ-топлива приблизительно в 3,5 раза
больше, чем UО
2
, в идентичных условиях.
Радиационная ползучесть оксидного топлива может оказывать
существенное влияние на поведение твэла при выгорании топлива.
Действительно, в отсутствие радиальных трещин, вызываемых
температурными напряжениями, холодная внешняя область дей-
ствует как прочная оболочка, которая сдерживает увеличение объ-
ема топливной таблетки, обусловленное газовым распуханием го-
рячей внутренней области с низкой прочностью. Ползучесть пери-
ферийной зоны топлива с исходной структурой снижает способ-
ность этого кольцевого слоя сдерживать большую радиальную де-
формацию топлива. Если топливо деформируется быстрее, чем
оболочка, то зазор между топливом и оболочкой выбирается и ре-
зультатирующее взаимодействие между ними приводит к диамет-
ральной деформации оболочки. На рис. 31.53 изображены прогно-
зируемые относительные изменения внешнего диаметра оболочки
твэла быстрого реактора в зависимости от выгорания.
Нижняя кривая представляет собой диаметральную деформацию
оболочки в отсутствие давления на поверхности раздела, возника-
ющего в результате взаимодействия МОХ-топлива и оболочки. Эта
деформация обусловлена только распуханием материала оболочки
(коррозионно-стойкая сталь), которое вызвано образованием пор
при облучении быстрыми нейтронами. Средняя кривая показывает,
что деформация оболочки возрастает в случае контакта между топ-
ливом и оболочкой, когда учитывается только термическая ползу-
честь.
273
Верхняя полоса на
рис. 31.53 соответствует рез-
кому возрастанию диамет-
ральной деформации оболоч-
ки, если учитывается и пол-
зучесть, вызванная облучени-
ем. Уменьшение сопротивле-
ния ползучести внешней об-
ласти топлива приводит к
тому, что вся топливная мас-
са давит на оболочку при
распухании внутренней зоны
горячего топлива. Верхняя
полоса на рис. 31.53 охваты-
вает результаты, полученные
при изменении плотности
делений в 100 раз. Тангенци-
альные напряжения на внеш-
нем кольце топлива умень-
шаются даже небольшой пол-
зучестью, вызванной облуче-
нием, а дальнейшее увеличе-
ние скорости ползучести при
более высокой скорости де-
ления не приводит к увеличению давления на оболочку на поверх-
ности раздела, так как из-за комбинации термической ползучести в
горячей внутренней зоне и радиационной ползучести периферий-
ной зоны вся топливная таблетка превращается в несжимаемую
вязкую массу. Резкое уменьшение сопротивления ползучести
внешней области топлива приводит к тому, что топливо давит на
оболочку в результате распухания (как газового, так и твердого),
которое возрастает линейно с выгоранием. Напряжения, которые в
противном случае сдерживались бы внешним кольцом топлива,
передаются на оболочку и приводят к ее радиальной деформации.
Ползучесть, вызванная процессом деления, более заметна на хо-
лодном внешнем кольце, которое работает при температурах ниже
1300 К. Согласно рис. 31.52 за снижение сопротивления ползучести
в этой области больше ответственна ползучесть, вызванная облу-
Рис. 31.53. Влияние выгорания на отно-
сительную диаметральную деформацию
оболочки твэла из коррозионно-стойкой
стали, обусловленную распуханием обо-
лочки и радиационной ползучестью
МОХ-топлива
274
чением, чем ползучесть, увеличенная при облучении. Возросшая в
процессе облучения термическая ползучесть становится суще-
ственной только в горячей внутренней зоне топлива, обладающей
низким сопротивлением ползучести (вследствие высоких темпера-
тур) даже в отсутствие облучения. Следовательно, ползучесть, вы-
званная облучением, более существенно влияет на характеристики
твэлов с оксидным топливом, чем ползучесть, увеличенная при об-
лучении.
Отклонение от стехиометри-
ческого состава оказывает су-
щественное влияние на ско-
рость радиационной ползуче-
сти. В случае смешанных окси-
дов урана и плутония скорость
ползучести в достехиометриче-
ской области уменьшается бо-
лее чем 1,5−2 порядка при
уменьшении отношения O/M от
стехиометрического значения
до величины 1,93 (рис. 31.54).
Кроме уменьшения сопро-
тивления ползучести топлива,
приводящего к большему взаи-
модействию топлива с оболоч-
кой, радиационная ползучесть
залечивает трещины в топливе
быстрее, чем одна только тер-
мическая ползучесть. Перекры-
тие путей из внутренней области топлива к зазору между топливом
и оболочкой может воспрепятствовать миграции к оболочке про-
дуктов деления, которые вызывают ее коррозию, и, поэтому, спо-
собствует сохранению целостности твэла.
31.5. Совместимость диоксида с конструкционными
материалами и теплоносителями
Совместимость с конструкционными материалами. Диоксид
урана совместим со многими материалами, что является его весьма
Рис. 31.54. Влияние содержания PuO
2
и отношения кислород/металл на
скорость радиационной ползучести
смешанного оксидного топлива
275
ценным свойством. Сведения о характере взаимодействия UO
2
с
различными конструкционными металлическими и керамическими
материалами приведены в табл. 31.6.
Данные по совместимости диоксида плутония с конструкцион-
ными материалами более ограничены; они приведены в табл. 31.7.
Таблица 31.6
Совместимость компактного диоксида урана
с конструкционными материалами
Материал Температура, K Степень совместимости
Алюминий 770
Относительно медленное взаимодействие
с образованием UAl
2
и UAl
4
Бериллий 870
Экзотермическая реакция с образованием
UBe
13
Цирконий 870
Медленная реакция с образованием ZrO
2
,
цирконий охрупчивается
Коррозионно-
стойкая сталь
1670 Взаимодействие отсутствует
Никель 1670 Слабо реагирует
Кремний 2170
При температурах 2170–2370 К образуется
U
3
SI
Al
2
O
3
, MgO, BeO 2070 Нет взаимодействия
Углерод в виде
тонкого порошка
1570
Медленная реакция при 1470 K; при
1570−2070 К образуются UC, UC
2
и U
2
C
3
Тантал, ниобий,
молибден
2270 Медленное взаимодействие
Вольфрам 3100
Совместим до температуры плавления
диоксида урана
Совместимость смешанных диоксидов урана и плутония с кон-
струкционными материалами во внереакторных условиях несколь-
ко хуже совместимости с ними диоксида урана. Особенность взаи-
модействия смешанных оксидов с конструкционными материалами
заключается в том, что в процессе их выгорания образуется значи-
тельное количество продуктов деления, которые являются актив-
ными коррозионными агентами. Поэтому совместимость смешан-
ных оксидов с наиболее важным конструкционным материалом –
коррозионно-стойкой сталью – рассматривается в главе, посвящен-
ной накоплению продуктов деления в топливных оксидах.
276
Таблица 31.7
Совместимость диоксида плутония с различными материалами
Материал Температура, К Степень совместимости
Цирконий 1450 Частичное восстановление до Pu
2
O
3
Железо 1570 То же
Алюминий 870 Взаимодействие отсутствует
Магний 770 Частичное восстановление до Pu
2
O
3
Углерод 1270
Частичное восстановление до Pu
2
O
3
; при 1470 К
медленное образование монокарбида; при 2120 К
образуются PuC и Pu
2
C
3
Совместимость с теплоносителями. Непосредственно после
восстановления порошок диоксида урана имеет состав, близкий к
стехиометрическому. Однако выдержка на воздухе при комнатной
температуре приводит к его окислению до состава, соответствую-
щего оксиду U
3
O
8
. Скорость окисления диоксида зависит от разме-
ров зерен. Например, за две недели пребывания на воздухе поро-
шок с размером частиц ~1 мкм окисляется до состава UO
2,2
, а с
размером 50–100 мкм в тех же
условиях приобретает состав,
лишь незначительно отличаю-
щийся от стехиометрического.
В отличие от порошка, спечен-
ный компактный диоксид урана
обладает низкой скоростью окис-
ления и его можно длительное
время хранить на воздухе. Однако
спеченный диоксид является гиг-
роскопичным и способен погло-
щать из воздуха влагу. Ее присут-
ствие в оксидных сердечниках
твэлов является нежелательным,
так как она приводит к гидриро-
ванию оболочек твэлов из сплавов
циркония на начальной стадии
работы реактора. Представленная
на рис. 31.55 зависимость показы-
Рис. 31.55. Содержание влаги
в таблетках из UO
2
в зависимости
от их плотности
277
вает сильное влияние плотности таблеток диоксида урана на со-
держание в них влаги.
Из рисунка видно, что относительное количество сорбируемой
влаги при плотности 9,9 г/см
3
примерно в 10−12 раз больше, чем
при плотности 10,6 г/см
3
, и остается приблизительно постоянным
при больших плотностях. Это обстоятельство требует исполь-
зования в реакторах таблеток с высокой плотностью, однако она не
должна быть слишком большой, так как определенная доля оста-
точной пористости в таблетках играет положительную роль в по-
вышении размерной стабильности твэлов.
При нагреве компактный диоксид урана в интервале 625−870 К
быстро окисляется до состава U
3
O
8
, что приводит к его разруше-
нию на мелкие частицы. В интервале температур 925–1125 К окис-
ление протекает значительно медленнее. В меньшей степени диок-
сид урана окисляется при 1275 К. При 1075–1175 К окисление про-
текает в две стадии, которые различаются скоростью окисления:
медленной – в первой и быстрой – во второй. Первая стадия, по-
видимому, характеризуется диффузионным характером проникно-
вения кислорода в глубь материала и протекает по схеме:
UO
2
→ (UO
2+x
) → U
4
O
9
.
Высокая скорость процесса во второй стадии окисления связана с
фазовым превращением U
4
O
9
в U
3
O
8
, которое сопровождается раз-
рушением материала.
По отношению к высокотемпературной воде и пару диоксид
урана обладает высокой инертностью. Испытания спеченного ма-
териала с плотностью, равной 92–93 % ТП, при 620 К в воде в те-
чение года практически не привели к изменению массы и размеров
образцов. Контакт с водой, в которой содержится более 0,05 см
3
кислорода на 1 л воды, приводит к образованию на поверхно-
сти образцов частично гидратированного высшего оксида
(UO
3
· 0,8 H
2
O) зелено-желтого цвета. Образцы теряют ~15 % своей
массы после 8 сут. выдержки при 620 К в воде, содержащей 1–3 см
3
кислорода на 1 л воды.
Диоксид урана стабилен в дегазированной воде или паре при
нейтральном или высоком значении рН.
В условиях облучения UO
2
может корродировать в воде: окис-
ление возможно за счет кислорода, образовавшегося в результате
радиолиза водяного пара.
278
Диоксид урана обладает хорошей совместимостью как с азотом,
так и с углекислым газом, который используется в качестве тепло-
носителя в усовершенствованных газографитовых реакторах; взаи-
модействия между ними не обнаружено при 1725 и 1175 К соответ-
ственно.
До температуры ~
870 К, которая является характерной темпера-
турой жидкометаллических теплоносителей быстрых реакторов,
диоксид урана и смешанные оксиды урана и плутония с жидким
натрием не реагируют. При более высоких температурах образуют-
ся твердые продукты реакции, плотность которых значительно ни-
же плотности топлива. Возникающее при этом объемное расшире-
ние может привести к значительной диаметральной деформации
твэла, которая в зависимости от содержания кислорода в топливе и
натрии может доходить до 40 %.
В системе натрий – уран – кислород обнаружены двойные окси-
ды Na
2
U
2
O
7
, Na
2
UO
4
, Na
4
UO
5
, NaUO
3
и Na
3
UO
4
. При температур-
ных условиях жидкометаллических контуров реакторов возможно
образование лишь последнего оксида, который находится в равно-
весии с UO
2
и натрием при температурах 1025–1075 К. Другие
двойные оксиды урана и натрия существуют при более высоких
температурах.
В случае смешанных диоксидов урана и плутония продукту ре-
акции натрий – топливо приписывают общую формулу Na
3
MO
4
(M = U + Pu), причем предполагают, что отношение урана к плуто-
нию в нем такое же, как и в топливе. Оксид Na
3
MO
4
образуется
только тогда, когда химический потенциал кислорода двухфазной
системы натрий – топливо выше пороговой величины, которая по
оценкам составляет – 660 кДж/моль при 1000 К. Когда же он ниже
ее, т.е. когда топливо является сильно достехиометрическим, а
натрий имеет низкое содержание кислорода, в равновесии с топли-
вом находится только жидкий натрий.
31.6. Структурные изменения при выгорании
Топливный сердечник обычно представляет собой столб спе-
ченных таблеток с плотностью 90–96 % ТП с центральным отвер-
стием или без него. Таблетки имеют плоские или лункообразные
торцевые поверхности. Радиальный зазор между сердечником и
279
оболочкой составляет 50–300 мкм. Свободный объем в твэле обыч-
но заполнен гелием под давлением 2,5–3 МПа. При выгорании топ-
лива происходит ряд процессов, которые схематически иллюстри-
руются на примере сердечника из смешанного уран-плутониевого
оксида (U
0,7
Pu
0,3
) О
1,98
в оболочке из коррозионно-стойкой стали
(рис. 31.56).
31.6.1. Перестройка структуры
На рис. 31.56 (сектор I) показана типичная исходная структура
таблетки, которая имеет зерна размером ~10 мкм, поры от 50 до
200 мкм и мелкие трещины. При выходе на мощность сердечник
разогревается и расширяется заметно больше, чем оболочка. Про-
исходит его смещение вверх в осевом направлении, а также
уменьшается величина зазора сердечник – оболочка. Высокая теп-
лоотдача твэла при низкой теплопроводности топлива приводит к
радиальному параболическому распределению температуры, что
вызывает резкий термоградиент в сердечнике. В результате таблет-
ки топлива выпучиваются в осевом направлении в центральной об-
ласти, приобретая форму пшеничного снопа. Механическое взаи-
модействие таблеток такой формы с оболочкой твэла приводит к
образованию на оболочке поперечных гребней (риджинг оболоч-
ки), для уменьшения которых на таблетках делают фаски, а на тор-
цевых поверхностях лунки.
При теоретической прочности МОХ-топлива ~
30000 МПа, ре-
альная прочность таблеток на растяжение значительно ниже и со-
ставляет 150–170 МПа. Поэтому возникающий при выходе на
мощность градиент температур может вызвать растрескивание таб-
леток. Трещины в таблетках возникают при линейной мощности
твэла ~
70 Вт/см. При более высокой линейной мощности (до
~
250 Вт/см) растрескивание усиливается и даже может происхо-
дить фрагментация таблеток, однако неровности на поверхности
трещин все еще не позволяют отдельным фрагментам таблетки
смещаться относительно друг друга. Дальнейший рост мощности
(до ~
300 Вт/см), уводя поверхности одних фрагментов от других за
счет неравномерного теплового расширения таблетки, позволяет
им смещаться друг относительно друга. При этом отдельные фраг-
менты таблетки уменьшают зазор между сердечником и оболочкой,
280
понижая тем самым его тепловое сопротивление (сектор II на
рис. 31.56). В то же время другие фрагменты могут в результате
этого процесса увеличить тепловое сопротивление зазора и ухуд-
шить начальный тепловой контакт с оболочкой.
Рис. 31.56. Схематическое изображение эволюции структуры МОХ-топлива
в процессе его выгорания (сектор I – исходная структура; сектор II – растрескива-
ние 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)
В случае высокой линейной мощности твэлов, что эквивалентно
высокой температуре центра топливного столба и наличию силь-
ных градиентов температуры по радиусу топливной таблетки, при
работе реактора происходят дальнейшие важные изменения струк-
туры топлива (сектор III на рис. 31.56). В центре топливного сер-
дечника образуется значительная полость, которая формируется за
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)