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
311
Рис. 31.81. Эксперимен-
тальное и прогнозируемое
распределение пористости
в облученном до выгора-
ния 0,7 ат. % сердечнике
твэла из МОХ-топлива
при линейной мощности
450 Вт/см
31.6.4. Рост столбчатых зерен
Характер изменения скорости пор по мере их перемещения к
центру сердечника показан на рис. 31.82. При относительных ради-
усах >
0,6 скорость пор очень мала вследствие того, что давление
паров топливных оксидов крайне
низкое при соответствующих им
невысоких температурах. При
уменьшении относительных радиу-
сов от ~
0,6 до ~
0,2 скорость пор
очень быстро возрастает. Дальней-
шее их уменьшение сильно снижает
скорость миграции пор вследствие
падения температурного градиента,
который стремится к нулю у цен-
тральной оси сердечника.
На рис. 31.83 представлены зави-
симости наружного радиуса и тем-
пературы зоны столбчатых зерен,
для трех температур центра 3000,
2500 и 2000 К от времени облуче-
ния.
Рис. 31.82. Скорость пор в окси-
дном сердечнике в зависимости
от относительного радиуса (r/r
0
)
312
Рис. 31.83. Зависимости наружного радиуса и температуры зоны столбчатых
зерен от времени облучения (цифры у кривых показывают температуру
центра таблетки)
Температура наружной границы зоны столбчатых зерен не зави-
сит от температуры центра и медленно уменьшается от ~
2400 до
1800 К при изменении времени облучения от 1 ч до года. Наружная
граница области столбчатых зерен движется наружу при увеличе-
нии времени облучения. Скорость ее продвижения, однако, умень-
шается с течением временем. При температуре центра 3000 К мик-
роструктура практически полностью трансформируется за 100 ч, в
то время как при температуре центра 2000 К существенное пере-
мещение границы столбчатых зерен происходит только после года
облучения. Необходимо отметить, что распределение температуры
по радиусу сердечника предполагается параболическим и не зави-
сящим от времени. Если учитывать изменение температурного
профиля при перестройке структуры, то скорость продвижения
границы столбчатых зерен должна быть ниже, так как температура
топлива, рассчитанная с учетом перестройки структуры, ниже, чем
температура, задаваемая исходным параболическим профилем.
31.6.5. Рост равноосных зерен
В зоне, где происходит образование равноосных зерен, темпера-
турный градиент недостаточен для миграции закрытых пор, но
уровень температур является высоким, вследствие чего происходит
рост исходных зерен. Зона заключена между относительными ра-
313
диусами 0,7 и 0,8, которые приблизительно соответствуют темпе-
ратурам 2100–1900 К, и она образуется в течение нескольких дней.
Типичный размер зерен в спеченных таблетках UO
2
составляет
~
5 мкм, а нижний предел заметного роста равноосных зерен
~
25 мкм. Однако граница между равноосными зернами и зернами
исходной структуры является довольно резкой, т.к. процесс роста
зерен зависит от температуры, а в окрестностях границы между
структурными зонами она сильно изменяется.
Движущей силой процесса роста зерен
1
является уменьшение
свободной поверхностной энергии твердого тела, которое сопро-
вождается уменьшением площади границ зерен.
Наличие в матрице растворенных примесей или включений в
твердой решетке, задерживает продвижение границ зерна. Величи-
на тормозящего эффекта зависит от концентрации примеси и ко-
эффициента объемной диффузии примеси в матрице. Добавление,
например, менее 1 мол.% СаО к UO
2
уменьшает константу роста
зерен при 2100 К в два раза и увеличивает энергию активации от
460 до 570 кДж/моль (при m = 2,5).
Большие препятствия, такие как твердые включения или газона-
полненные полости, также значительно уменьшают скорость роста
зерен по сравнению с бездефектной матрицей.
Максимальный размер зерна при нормальном росте выражается
следующим полуэмпирическим уравнением:
3
2200 exp 63/ ( /10 )
m
dRT
=⋅−⋅
[мкм]. (31.74)
Он определяется способностью совокупности пор в твердом те-
ле полностью останавливать движение границы зерна, когда вели-
чина зерна становится достаточно большой. Увеличение d
m
с тем-
пературой, которое следует из уравнения (31.74), обусловлено, по-
видимому, ростом скорости уменьшения размеров пор (в результа-
те доспекания) вследствие эмиссии порами вакансий при увеличе-
нии температуры. Если размер пор уменьшается, их способность
препятствовать миграции границ зерен снижается и, следователь-
но, d
m
увеличивается. Расчеты по уравнению (31.74) показывают,
что при 2000 К предельный размер зерен составляет ~
50 мкм.
1
Физическое материаловедение. – М.: НИЯУ МИФИ, 2021, Т. 5. П. 19.6.4.
314
Характерная температура границы между зонами исходной
структуры и равноосных зерен находится в интервале от 2190 до
1760 К при увеличении времени облучения соответственно от 10 до
10000 ч.
31.6.6.Радиационное доспекание
Наряду со структурными изменениями, происходящими в топ-
ливе в процессе эксплуатации, также наблюдается уплотнение спе-
ченных таблеток под облучением, что отрицательно влияет на ра-
ботоспособность твэлов. Уплотнение топливного сердечника про-
исходит как в продольном, так и радиальном направлениях. В пер-
вом случае этот процесс уменьшает первоначальную длину столба
таблеток и может приводить к образованию осевых зазоров в стол-
бе топлива (разрыв топливного столба), вследствие чего возможно
локальное повышение температуры топлива и оболочки. Во втором
случае уплотнение топлива увеличивает радиальный зазор между
топливом и оболочкой, что повышает температуру топлива и мо-
жет вызывать потерю устойчивости оболочки.
Уплотнение под облучением наблюдали как для топлива из UО
2
,
так и из смешанных оксидов урана и плутония. Для обоих видов
топлива этот процесс протекает идентично, но он более подробно
изучен для диоксида урана, вследствие чего его закономерности
приведены ниже, в основном, для UО
2
.
Уплотнение топлива объясняется спеканием мелких пор,
уменьшение объемной доли которых в результате облучения иллю-
стрируется рис. 31.84; оно активируется термическим и радиаци-
онным воздействиями. Термически активируемое спекание проте-
кает путем объемной диффузии вакансий от поры к границам зе-
рен; при этом движущей силой миграции является разность кон-
центраций вакансий вблизи поверхностей с различным радиусом
кривизны (пора и граница зерна). Спекание мелких пор
(d
< 0,5 мкм) протекает существенно быстрее, чем крупных, что
объясняет наличие в хорошо спеченном образце в основном круп-
ных пор (d = 1÷2 мкм).
Радиационное спекание связано с воздействием на поры в топ-
ливе осколков деления, вызывающих перевод поры в вакансии в
матрице топлива. Мелкая пора (d < 10 нм) может быть полностью
315
переведена в вакансии при прохождении через нее или рядом с ней
осколка деления. В крупных порах происходит частичный перевод
поры в вакансии. Предположительно, при прохождении осколка
деления через пору некоторое количество топлива распыляется и
переносится на более холодные поверхности, «запечатывая» при
этом часть вакансий в матрицу топлива; то же самое может проис-
ходить и в случае прохождения осколка вблизи поры.
Рис. 31.84. Влияние облучения
на распределение пор по раз-
мерам в нестабильном оксид-
ном топливе. Распределение
пористости в нестабильном
топливе:
1 – исходная пористость; 2 –
начальное уплотнение; 3 –
дальнейшее уплотнение; 4 –
конечная пористость
Большая часть вакансий вновь коагулирует после прохождения
осколка деления с образованием мелких пор, но, в среднем, облу-
чение вызывает постепенное превышение концентрации вакансий
вблизи пор по сравнению с термически равновесной, что ускоряет
миграцию вакансий к границам и, следовательно, спекание топли-
ва. Увеличение интенсивности делений повышает скорость и
степень радиационного доспекания. Уплотнение непосредственно
связано с микроструктурой. Оно является максимальным в топли-
ве, содержащем большое количество мелких пор диаметром менее
1 мкм, а также имеющем мелкое зерно и низкую плотность. Ста-
бильность топлива с исходной плотностью 91–96 % ТП повышает-
ся под облучением при увеличении размера зерна до 10–30 мкм,
размера пор до 2–4 мкм и числа более крупных пор, а также при
возрастании температуры спекания таблеток до 2000–2070 К. Топ-
ливо, спеченное при температуре выше 1970 К и имеющее исход-
ную плотность 91–95 % ТП с преимущественно закрытой крупной
пористостью, обладает высокой стабильностью под облучением
(ΔV/V < 1 %).
316
Скорость уплотнения стабильного топлива составляет от
~
0,26 % ТП на 1 ГВт · сут/т при температуре < 1025 К до ~
0,66 %
ТП на 1 ГВт·сут/т при линейной мощности твэла ~
500 Вт/см. Про-
цесс уплотнения завершается в основном за первые 500–1000 ч ра-
боты реактора на мощности (выгорание 1–5 ГВт · сут/т). Влияние
выгорания на изменение плотности топлива представлено на
рис. 31.85.
Рис. 31.85. Зависимость измене-
ния плотности топлива Δρ/ρ
теор
от выгорания при облучении в
реакторе. Линии построены по
результатам модельного расчета:
1, 2 – нестабильное топливо с
плотностью соответственно 92 и
95 % теоретической плотности
(ТП); 3, 4 – стабильное топливо с
плотностью соответственно 92 и
95 % ТП
Уплотнение топлива в процессе облучения происходит при до-
вольно низких температурах от 400 до 1000 °C, в то время как без
облучения оно становится заметным лишь при температуре
>
1600 °C. В соответствии с экспериментальными данными и мо-
дельными представлениями можно выделить четыре характерные
температурные области, связанные с уплотнением топлива, в кото-
рых механизмы этого процесса различны:
T < 450 °C – общее атермическое уплотнение топлива;
450 °C < T < 750 °C – термически активированная миграция ва-
кансий, контролирующая скорость уплотнения;
750 °C < T < 1300 °C – атермическая генерация избыточных ва-
кансий, контролирующая скорость уплотнения;
T > 1300 °C – термически активируемое спекание.
Максимальное уплотнение соответствует температуре центра
таблеток 1000–1100 °C. При более высоких температурах, когда
давление газа в порах становится значительным и стабилизирует
317
их, распухание, обусловленное образованием и накоплением ГПД,
начинает преобладать над уплотнением.
31.7. Перераспределение кислорода и актиноидов
Большие радиальные градиенты и высокий уровень температу-
ры в сердечниках твэлов быстрых реакторов из МОХ-топлива вы-
зывают явление массопереноса и возникновение соответствующих
градиентов концентрации компонентов топлива, таких как кисло-
род и актиноиды. Массоперенос может осуществляться либо через
газовую, либо через твердую фазы. Перенос через газовую фазу
обусловлен тем, что в равновесном паре представлены молекулы,
содержащие различные типы атомов, находящихся в сердечнике
твэла, а трещины и открытая пористость обеспечивают связь меж-
ду участками сердечника с различными температурами. Перенос
через твердую фазу осуществляется за счет диффузионных про-
цессов.
31.7.1. Перераспределение кислорода
Величина и характер изменения концентрации кислорода по ра-
диусу оксидного сердечника твэла играет существенную роль при
общей оценке свойств топлива, которые, как было показано выше,
сильно зависят от отношения О/М. Анализ этого процесса дает
возможность определить, как будет влиять радиальный градиент
концентрации кислорода на теплопроводность, кислородный по-
тенциал, ползучесть, кинетику диффузионных явлений, интенсив-
ность взаимодействия продуктов деления с оболочкой и другие ха-
рактеристики топлива, от которых зависит размерная стабильность
и целостность твэлов.
При выходе реактора на мощность радиальный градиент темпе-
ратуры вызывает появление соответствующего градиента парци-
ального давления кислорода, находящегося в равновесии с оксид-
ным топливом. Наличие этого градиента является движущей силой
миграции кислорода по направлению градиента концентрации пу-
тем диффузии как в газовой, так и в твердой фазах топлива. В до-
стехиометрической области составов кислород мигрирует от цен-
318
тра к периферии сердечника, а в застехиометрической области –
наоборот, то есть от периферии сердечника к его центру.
Одним из возможных механизмов, приводящих к такому харак-
теру перераспределения кислорода в топливе, является его перенос
в газовой фазе смесями газов СО
2
и СО или Н
2
О и Н
2
, или ими обо-
ими. Появление газов СО
2
и СО в активном объеме твэла обуслов-
лено содержанием в топливе в виде примеси углерода в количестве
100–120 частей на миллион, а водорода и влаги – атмосферой спе-
кания и гигроскопичностью таблеток. При достижении рабочих
температур углерод может переходить из сердечника в газовую
фазу в виде СО
2
или СО, которые затем смешиваются с инертными
газами, присутствующими в объеме твэла (гелий и газообразные
продукты деления) и заполняющими все свободное пространство.
Парциальное давление углеродосодержащих газов при обычных
температурных режимах работы твэлов энергетических реакторов
будет составлять от 1
·
10
4
до 1
·
10
5
Па. В такой газовой смеси кис-
лород может переноситься путем диффузии CO
2
и СО в противо-
положных направлениях.
В застехиометрических оксидах этот процесс происходит сле-
дующим образом. Углекислый газ CО
2
диффундирует из холодной
зоны в горячую, где он отдает кислород твердому телу, превраща-
ясь в CO, который диффундирует обратно в холодную зону. Здесь
CO берет кислород у топлива, превращаясь в CО
2
, который вновь
возвращается в горячую зону. Циклическое движение CO и CО
2
приводит к переносу кислорода до достижения им стационарного
распределения. Причина того, что цикл CО
2
–
CO дает правдопо-
добное объяснение переноса кислорода, заключается в том, что
давления CO и CО
2
намного выше давлений других газовых ком-
понентов, содержащих кислород. Роль смеси H
2
O
–
H
2
в переносе
кислорода может быть такой же, как и смеси CО
2
–
CO. Однако ме-
таллические оболочки твэлов слишком проницаемы для водорода
при рабочих температурах, вследствие чего водород, который
обычно присутствует в активном объеме твэла в начальный момент
его работы, должен перейти в теплоноситель.
В достехиометрических оксидах перенос кислорода с помощью
CО
2
или H
2
O является весьма длительным процессом, так как их
давления над достехиометрическими оксидами, имеющими весьма
низкие значения химического потенциала кислорода, являются
319
чрезвычайно малыми. Так, максимальное давление CО
2
над сме-
шанным оксидом урана и плутония с О/М = 1,96 при 1400 К в при-
сутствии свободного углерода составляет ~
5 · 10
−3
Па. При таких
низких давлениях CО
2
скорость переноса кислорода за счет диффу-
зии CО
2
должна быть очень низкой вследствие малой величины
движущей силы процесса диффузии в газовой фазе, определяемой
величиной градиента концентрации. Так как перераспределение
кислорода в достехиометрическом топливе происходит значитель-
но быстрее, чем это можно ожидать в предположении, что оно
осуществляется с помощью CО
2
, то следует предположить, что за
перенос кислорода вдоль температурного градиента ответственны
другие механизмы.
Одним из таких механизмов может быть диффузия кислорода в
твердом теле, которая происходит достаточно быстро и приводит к
уменьшению неоднородности распределения по сравнению с той,
которая устанавливалась бы в результате переноса кислорода толь-
ко в газовой фазе. Ограничивающее влияние этого механизма на
перераспределение кислорода может эффективно уменьшать сте-
пень перераспределения кислорода на уровнях значительно более
низких, чем уровень, предсказываемый механизмом переноса через
газовую фазу.
Перераспределение кислорода в области столбчатых кристаллов
возможно также вследствие термодиффузии кислородных вакан-
сий, которые в (U, Pu) О
2−x
занимают долю мест х/2 в анионной
подрешетке. Они движутся в центральную горячую часть оксидно-
го сердечника, однако обычная концентрационная диффузия огра-
ничивает степень разделения. Из-за большого коэффициента диф-
фузии кислородных вакансий при высоких температурах быстро
достигается стационарное состояние.
Так как трещины в зоне, расположенной выше зоны столбчатых
зерен, достаточно многочисленны, то перераспределение кислоро-
да в ней происходит также в результате его переноса в газовой фа-
зе. Для достехиометрических оксидов этот механизм действует в
том же направлении, что и термодиффузия, вследствие чего полное
распределение кислорода в топливном сердечнике выше границы
столбчатых зерен будет определяться совместным действием, как
термодиффузии, так и переноса кислорода через газовую фазу. В
случае сильно достехиометрических оксидов необходимо также
320
учитывать влияние
диффузии в твердой
фазе и в холодной об-
ласти. Расчет перерас-
пределения кислорода
по этой двухзонной мо-
дели в смешанном ок-
сиде (U
0,8
, Pu
0,2
) О
2±x
в
зависимости от отно-
шения О/М представ-
лен на рис. 31.86.
Рис. 31.86. Радиальное пере-
распределение кислорода в
МОХ-топливе с различными
начальными значениями
О/М
При рассмотрении процессов перераспределения кислорода
предполагалось, что его среднее содержание в топливе не изменя-
ется и соответствует исходному. Однако это справедливо только в
начальный период работы твэла, так как в процессе выгорания топ-
лива кислород взаимодействует как с оболочкой, так и с продукта-
ми деления, вследствие чего его концентрация постепенно из-
меняется.
31.7.2. Перераспределение актиноидов
Резкий радиальный термический градиент в оксидных сердеч-
никах твэлов реакторов на быстрых нейтронах из смешанных окси-
дов приводит к перераспределению урана и плутония, вследствие
чего концентрация последнего у центральной полости возрастает,
несколько снижаясь у границы зон столбчатых и равноосных кри-
сталлов. Характер и степень перераспределения плутония сильно
зависят от отношения О/М (рис. 31.87). Среднее по сечению сер-
дечника содержание плутония остается неизменным вследствие
того, что ни плутоний, ни уран не теряются в процессе перераспре-
деления.
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)