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
351
Выход ГПД из топлива реакторов на быстрых нейтронах систе-
матически выше, чем из топлива реакторов на тепловых нейтронах.
Это является следствием различных условий работы топлива в твэ-
лах этих реакторов. Распухание стальной оболочки твэлов реакто-
ров на быстрых нейтронах может приводить к увеличению зазора
сердечник-оболочка. При увеличении выгорания уменьшается теп-
лопроводность топлива и зазора, что приводит к повышению тем-
пературы топлива. Это, с одной стороны, увеличивает газовое рас-
пухание за счет МЗП и, соответственно, газовыделение, а с дру-
гой – приводит к интенсивному росту зоны столбчатой структуры
и, в конечном итоге, к увеличению газовыделения.
Влияние линейной мощности твэла на газовыделение из МОХ-
топлива представлено на рис. 31.104. Газоовыделение растет с уве-
личением линейной мощности и при ее значениях выше 600 Вт/см
почти все ГПД выходят из топлива.
Рис. 31.104. Зависимость газовыделения из оксидного топлива
от линейной мощности твэла
Для наиболее изученных типов реакторов на быстрых нейтронах
с МОХ-топливом и натриевым охлаждением экспериментальные
исследования процесса газовыделения и распухания топливных
композиций во время эксплуатации привели к представлениям, со-
гласно которым МОХ-топливо при выгорании более 30 ГВт
⋅
сут./т
и линейных тепловых нагрузках выше 400 Вт/см более чем на 80 %
освобождается от газовых осколков деления.
352
Контрольные вопросы
1. Назовите преимущества оксидного ядерного топлива по сравнению
с металлическим.
2.
Как получают порошки для производства таблетированного топ-
лива?
3.
Каковы основные требования к топливным таблеткам?
4.
Опишите стадии производства топливных таблеток и характеристик
топливных таблеток, подвергающиеся контролю.
5.
Назовите методы получения гранулированного оксидного топлива.
6.
Назовите предельные значения отклонения от стехиометрии диок-
сида урана в до- и застехиометрической областях составов.
7.
Как влияет введение диоксида плутония в диоксид урана на грани-
цы его области гомогенности?
8.
Какую структуру могут иметь спеченные таблетки смешанного
уран-плутониевого топлива и от чего она зависит?
9.
Запишите валентности урана и плутонии в до- и застехиометриче-
ских оксидах.
10.
Что такое кислородный потенциал оксидного ядерного топлива?
11.
Как изменяется кислородный потенциал диоксида урана, плуто-
ния и смешанного топлива при заданной температуре с увеличением от-
ношения кислород/металл?
12.
Какой характер носит испарение оксидного ядерного топлива?
13.
Какие основные компоненты присутствуют в паре над UO
2
, PuO
2
и (U, Pu) O
2
?
14. Как изменяется температура плавления оксидного ядерного топ-
лива при выгорании?
15.
От чего зависит коэффициент линейного термического расшире-
ния диоксида урана, диоксида плутония и МОХ-топлива?
16.
Дайте характеристику температурной зависимости теплоемкости
оксидного ядерного топлива.
17.
Назовите основные вклады в теплопроводность оксидного ядер-
ного топлива.
18.
Что такое тепловое сопротивление?
19.
Какие факторы оказывают наибольшее влияние на теплопровод-
ность оксидного ядерного топлива?
20.
От каких параметров зависит величина сечения рассеяния фоно-
нов точечными дефектами?
21.
Что такое интегральная теплопроводность?
22.
Какой тип электрической проводимости у диоксида урана?
23.
Для какого элемента (урана или кислорода) скорость диффузии в
диоксиде урана выше?
353
24. Как изменяются механические свойства диоксида урана при из-
менении температуры?
25.
Что такое хрупко-вязкий переход?
26.
Как влияет отношение кислород/металл на скорость термической
ползучести оксидного топлива?
27.
От каких факторов зависит тип механизма термической ползуче-
сти диоксида урана?
28.
Как влияет облучение на скорость ползучести диоксида урана?
29.
Дайте характеристику совместимости диоксида урана и диоксида
плутония с основными конструкционными материалами и теплоносите-
лями.
30.
Какие факторы обуславливают перестройку структуры оксидного
топлива?
31.
Когда происходит перестройка структуры оксидного топлива?
32.
Как изменяется распределение пористости при перестройке
структуры?
33.
Каковы механизмы миграции пор в оксидном топливе?
34.
Каков механизм образования столбчатых зерен в оксидном топ-
ливе?
35.
Что является движущей силой роста крупных равноосных зерен в
оксидном топливе?
36.
Какова причина радиационного доспекания оксидного топлива?
37.
Какие факторы благоприятствуют радиационному доспеканию
оксидного топлива?
38.
Что вызывает перераспределение кислорода в оксидном топливе,
и как оно происходит в случае до- и застехиометрических оксидов?
39.
Чем вызвано перераспределение актиноидов в оксидном топливе,
и каковы его последствия?
40.
По каким признакам подразделяют продукты деления, накопив-
шиеся в оксидном топливе?
41.
Какие продукты деления растворяются в диоксиде урана?
42.
От чего зависит присутствие продукта деления в оксидной топ-
ливной матрице в виде оксида или металла?
43.
В каком состоянии присутствует осколочный молибден в до- и
застехиометрическом смешанном уран-плутониевом топливе?
44.
Как изменяется кислородный потенциал смешанного уран-
плутониевого оксидного топлива с увеличением выгорания?
45.
Что является движущей силой процесса миграции продуктов де-
ления в оксидном топливе?
46.
Как распределяются продукты деления по сердечнику твэла?
354
47. От каких факторов зависит глубина межкристаллитной коррозии
оболочки твэла при выгорании смешанного оксидного топлива в реакторе
на быстрых нейтронах?
48.
Какие продукты деления оказывают коррозионное воздействие на
оболочку твэла из коррозионно-стойкой стали?
49.
Как происходит распухание оксидного ядерного топлива?
50.
Какие факторы влияют на рост пузырьков газообразных продук-
тов деления?
51.
Как взаимодействуют дефекты кристаллической структуры с га-
зовыми пузырьками?
52.
Чем обусловлен процесс исчезновения пузырьков газообразных
продуктов деления?
53.
Какие факторы влияют на выделение газообразных продуктов де-
ления?
54.
Приведите примеры использования оксидного ядерного топлива.
355
Глава 32. КАРБИДНОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО
Монокарбид урана и смешанные монокарбиды урана и плуто-
ния, обладающие рядом благоприятных физических свойств, явля-
ются потенциально важными видами ядерного топлива и воспроиз-
водящими материалами. Они имеют высокую размерную стабиль-
ность под облучением, и их использование в ядерных реакторах
позволяет достигнуть глубокого выгорания и, следовательно, сни-
зить стоимость ядерного топливного цикла. Характерными особен-
ностями простых и смешанных карбидов урана и плутония являют-
ся: высокая, по сравнению с оксидами, теплопроводность, повы-
шенная плотность и лучшая способность к удержанию ГПД. Эти
факторы позволяют отметить следующие преимущества использо-
вания карбидов в качестве ядерного топлива или воспроизводящих
материалов:
а) топливные сердечники могут иметь больший диаметр вслед-
ствие более высокой теплопроводности, что будет способствовать
более низкой стоимости изготовления твэлов и меньшим потерям
нейтронов в конструкционных материалах при одинаковой загруз-
ке топлива;
б) температура топлива является более низкой по сравнению с
температурой оксидного топлива даже при более высокой удель-
ной мощности, что позволяет уменьшить выделение ГПД в процес-
се облучения;
в) рабочая температура карбидного топлива существенно ниже
его предельной тепловой нагрузки, что приводит к потенциальному
увеличению уровня безопасной работы из-за более низкого значе-
ния отрицательного эффекта Доплера. Этот эффект обусловлен
тем, что сечения взаимодействия с нейтронами зависят от темпера-
туры топлива и скоростей нейтрона и атомного ядра. Эффект До-
плера создает в реакторе мгновенный отрицательный температур-
ный коэффициент реактивности, который противодействует изме-
нению мощности реактора и температуры топлива. При увеличе-
нии температуры топлива уширение резонансных пиков приводит
к изменению микроструктуры спектра нейтронов в области резо-
356
нансных энергий. Вследствие этого меняются и скорости реакций.
Прежде всего, увеличение температуры топлива приводит к увели-
чению резонансного поглощения в
238
U, так как изменение резо-
нансных сечений у делящихся нуклидов мало и при небольших
обогащениях топлива им можно пренебречь. Таким образом, уве-
личение температуры топлива приводит к возникновению отрица-
тельного эффекта Доплера из-за увеличения поглощения нейтронов
238
U;
г) лучшее удержание ГПД карбидным топливом уменьшает ко-
личество ГПД в зазоре топливо–оболочка и снижает давление газа
под оболочкой твэла;
д) более высокая плотность карбидного топлива по сравнению с
оксидным может при более низком обогащении приводить к боль-
шим скоростям расширенного воспроизводства, более короткому
времени удвоения и большей длительности кампании топлива;
е) совместимость карбидного топлива с жидкометаллическими
теплоносителями повышает безопасность работы ядерных реакто-
ров на быстрых нейтронах.
К недостаткам карбидного топлива можно отнести:
а) высокую химическую активность по отношению к влаге и
кислороду на воздухе, что ведет к более высокой стоимости изго-
товления, так как технологический процесс требует использования
инертной атмосферы;
б) относительно более высокую скорость распухания, что огра-
ничивает выгорание;
в) перенос углерода от карбидного сердечника на оболочку твэ-
ла, что вызывает науглероживание последней и существенное сни-
жение ее пластичности и прочности.
В настоящее время в России отсутствуют конструкции твэлов с
карбидным топливом, которые прошли бы всесторонние испыта-
ния и показали бы работо- и конкурентоспособность по сравнению
с твэлами с оксидным топливом. Однако в связи с известными не-
достатками оксидного топлива существует необходимость в иссле-
довании свойств альтернативных видов топлива, какими являются
карбиды урана и плутония.
357
32.1. Диаграммы состояния простых и смешанных
карбидов урана и плутония
32.1.1. Диаграмма состояния системы уран–углерод
Введение углерода в уран несколько снижает его температуру
плавления и температуру полиморфных превращений α β и
β γ. Растворимость углерода в уране мала и при эвтектической
температуре составляет менее 0,02 %.
В системе уран–углерод (рис. 32.1) существуют три карбидные
фазы UC, U
2
C
3
и UC
2
, характеристики которых приведены в
табл. 32.1.
Рис. 32.1. Диаграмма состояния системы U–C
358
Таблица 32.1
Некоторые характеристики карбидов урана
Карбидная
фаза
Тип решетки
Параметры
решетки, пм
Плотность, г/см
3
UC ГЦК, тип NaCl а = 496,0 13,63
U
2
C
3
ОЦК a = 808,89 12,90
α-UC
2
Тетрагональная, тип
CaC
2
a = 351,3
c = 598,7
11,68
β
-UC
2
ГЦК, тип KCl a = 547,0 11,67
Фаза UC существует как в до-, так и в застехиометрической об-
ласти. Достехиометрический монокарбид UC
1−x
имеет вакансии в
углеродной подрешетке, в то время как застехиометрический мо-
нокарбид UC
1+x
содержит вместо атомов углерода группы C = C
(C
2
). кристаллические структуры фаз UC и β-UC
2
показаны на
рис. 32.2. Область гомогенности UC
1±x
весьма узкая и существует
только выше 1400 °C.
Рис. 32.2. Кристаллические структуры UC и β-UC
2
Минимальное содержание углерода в монокарбиде соответству-
ет составу UC
0,90
, который лежит в интервале температуры от 1800
до 2200 °C. Выше 1500 °C область гомогенности монокарбида ура-
на UC
1+x
расширяется и достигает значений UC
1,1
при 1820 °C и
UC
1,3
при 2050 °C. Непрерывный твердый раствор между фазами
UC и β-UC
2
образуется при температуре выше 2050 °C. Он имеет
минимальную температуру плавления 2380 °C, которая соответ-
ствует составу UC
1,6
. При охлаждении твердый раствор начинает
разлагаться при 2050 °C и составе UC
1,3
на UC
1+x
и β-UC
2−x
.
359
Богатая углеродом граница кубической дикарбидной фазы
UC
2−x
, находящейся в равновесии с углеродом, лежит между соста-
вами C/U = 1,90 и C/U = 1,96, расположенными соответственно при
температуре эвтектоида (1765 °C) и эвтектики (2430 °C). Кубиче-
ская дикарбидная β-фаза превращается в тетрагональную α-моди-
фикацию между 1775 °C (в присутствии U
2
C
3
) и 1765 °C (в присут-
ствии графита).
Фаза α-UC
2
при охлаждении ниже 1514 °C разлагается на U
2
C
3
и
графит; эта реакция идет очень медленно даже при 1514 °C.
Фаза U
2
C
3
образуется в результате медленно проходящей пери-
тектоидной реакции между UC
1+x
и β-UC
2−x
при 1820 °C. Она сосу-
ществует с β-UC
2
в узкой температурной области и является неста-
бильной при температуре ниже 925 °C. Реакция распада U
2
C
3
→
→ 2UC+C идет чрезвычайно медленно, и ее протекание является
длительным процессом.
32.1.2. Диаграмма состояния системы плутоний–углерод
В системе Pu–C, часть диаграммы состояния которой показана
на рис. 32.3, существуют четыре карбидные фазы: Pu
3
C
2
, PuC,
Pu
2
C
3
и PuC
2
. Некоторые характеристики трех последних приведе-
ны в табл. 32.2.
Область гомогенности карбида Pu
3
C
2
весьма узкая и при 558 °C
он разлагается на ε-Pu и PuC. Все другие фазы системы Pu–C
изоструктурны соответствующим фазам системы U-C, хотя между
ними имеется некоторое различие. Так, в фазе PuC, которая образу-
ется по перитектической реакции, существуют, по-видимому, угле-
родные вакансии, она имеет только достехиометрический состав и
не находится в равновесии с фазой PuC
2
. Соответственно, фаза Pu
2
C
3
имеет значительную область гомогенности (C/Pu = 1,26÷1,47) и ста-
бильна до перитектической температуры, равной ~
1680 °C.
Фаза PuC
2
изоструктурна фазе α-UC
2
; ее область существования
точно не установлена. Она не образует твердые растворы с PuC при
высокой температуре, как это имеет место для аналогичных фаз в
системе U
−
C.
360
Рис. 32.3. Часть диаграммы состояния системы Pu–С
Таблица 32.2
Некоторые характеристики карбидов плутония
Карбидная
фаза
Тип
решетки
Параметры
решетки, пм
Плотность,
г/см
3
PuC ГЦК a = 498,9 13,49
Pu
2
C
3
ОЦК a = 812,58 12,70
PuC
2
Тетрагональная
a = 363,0
с = 609,4
10,88
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)