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
451
Рис. 33.17. Теплопроводность нитрида урана как функция температуры
при 100% плотности UN
В обзоре Hayes et al. для температурной зависимости теплопро-
водности нитрида урана при 100 % плотности UN предложен сте-
пенной закон:
()
0,361
100
298 1923 1,864 .TK Tλ<< =⋅ (33.27)
Теплопроводность (33.27) как функция температуры хорошо
совпадает с набором экспериментальных точек, приведенных на
рис. 33.17.
В работе Ross et al. также применен степенной закон для описа-
ния экспериментальной температурной зависимости коэффициента
теплопроводности нитрида урана нормированного на 100%-ю
плотность UN:
()
0,41
100
10 1923 1,37 .TK Tλ<< =⋅ (33.28)
Аппроксимационные формулы (33.27)−(33.28) построены на
рис. 33.17. Видно, что в пределах разброса экспериментальных то-
чек обе кривые соответствующие формулам (33.27)−(33.28), близки
друг к другу.
Следует отметить, что для вывода корреляционных соотноше-
ний (33.27)−(33.28)
авторы использовали один и тот же набор экс-
периментальных данных в интервале температур 289−1923 К. По-
452
правочные факторы на пористость, использованные в работах
Hayers et al. и Ross et al., близки при p << 1 с точностью до квадра-
тичных по пористости слагаемых, а именно: k
(p << 1) =
= exp
(−2,14p) ≈ 1 − 2,14p + o(p
2
) (Hayes et al.) и k
(p << 1) =
= (1 − p)/(1 + p) ≈1 − 2p + o(p
2
) (Ross et al.). В статье Ross et al. под-
бор подгоночных параметров для степенной зависимости
λ
100
(T) = a · T
x
осуществлялся по множеству экспериментальных
точек температура-теплопроводность, включающему низкотемпе-
ратурную часть теплопроводности UN. Однако в пределе низких
температур в ионных кристаллах основной вклад в теплопровод-
ность вносят тепловые фононы с длиной волны порядка характер-
ного размера самого материала, поэтому решеточная температуро-
проводность в окрестности абсолютного нуля температур слабо
зависит от температуры. Температурная зависимость фононной
теплопроводности диэлектриков при 0 < T << θ
D
(θ
D
− температура
Дебая) определяется зависимостью теплоемкости при постоянном
объеме от температуры. При низких 0 < T << θ
D
и средних
0 << T ≤ θ
D
температурах теплопроводность проявляет качественно
другое поведение, чем при высоких температурах θ
D
<< T. Иссле-
дование высокотемпературной части теплопроводности ионных
кристаллов следует проводить независимо от исследования низко-
температурной и средней частей. Таким образом, корреляционное
соотношение (33.28), выведенное в работе Ross et. al., слабо обос-
новано, но в области высоких температур близко (см. рис. 33.17) к
формуле Hayes et al. (33.27)
.
Теплопроводность соединений (U, Pu)N зависит от пористости и
содержания плутония. Для исследования влияния типа пористости
и содержания нитрида плутония на теплопроводность смешанного
уран-плутониевого нитридного топлива были проведены серии
экспериментов. Уран-плутониевое нитридное топливо U
0,8
Pu
0,2
N
было изготовлено из оксидов урана и плутония методом карботер-
мического восстановления. Два различных способа были примене-
ны для получения таблеток U
0,8
Pu
0,2
N с различными плотностями, а
именно: спекание таблеток до требуемой пористости и вариация
содержания органического порообразователя в составе исходных
прессовок. Средний размер пор в топливных таблетках, получен-
ных путем спекания прессовок с повышенным содержанием поро-
образователя, составлял ~20 мкм, что существенно выше среднего
453
размера пор (~1 мкм) в таблетках, изготовленных первым спосо-
бом. Однако отношение доли закрытой пористости к доле откры-
той в таблетках, изготовленных первым методом, меньше, чем в
таблетках, изготовленных вторым методом.
На рис. 33.18 построена теплопроводность образцов U
0,8
Pu
0,2
N,
изготовленным путем спекания до требуемой пористости, а на
рис. 33.19 изображена теплопроводность таблеток U
0,8
Pu
0,2
N с раз-
личным содержанием порообразователя в составе исходной прес-
совки.
Рис. 33.18. Температурная зависимость теплопроводности таблеток U
0,8
Pu
0,2
N,
полученных путем спекания при различных температурах выдержки
(без порообразователя)
Фактически, рис. 33.18−33.19 позволяют оценить влияние рас-
пределения пор по размерам на теплопроводность смешанного
нитридного топлива. Видно, что теплопроводность образцов сни-
жается на 1/3 при увеличении среднего размера пор в 20 раз. Также
из рис. 33.18−19 следует, что коэффициент теплопроводности
уменьшается по абсолютной величине при увеличении пористости
таблеток, однако температурная зависимость теплопроводности
слабо деформируется при увеличении-снижении пористости.
Чтобы количественно установить зависимость теплопроводно-
сти смешанного уран-плутониевого нитридного топлива от содер-
жания нитрида плутония, коэффициенты теплопроводности табле-
ток (U, Pu)N с различным содержанием PuN были перенормирова-
454
ны на 100% плотность по формуле (33.26). Поправочный фактор на
пористость был выбран в виде k(p) = (1 − p)/(1 + βp). Коэффициент
β для известной пористости подобран по методу наименьших квад-
ратов к экспериментальной зависимости теплопроводности от тем-
пературы.
Установлено, что коэффициент β слабо зависит от тем-
пературы образца, но отличается по величине для топливных таб-
леток, изготовленных по различным методикам. Так, для таблеток,
изготовленных по первому методу, среднее по образцам значение
β ~ 3, а для образцов, созданных по второму методу, величина β
равна 2.
Рис. 33.19. Температурная зависимость теплопроводности таблеток U
0,8
Pu
0,2
N,
спеченных с различной концентрацией порообразователя
Температурная зависимость теплопроводности образцов
(U, Pu)N с различным содержанием PuN изображена на рис. 33.20.
Коэффициенты теплопроводности нормированы на 100 % плот-
ность таблеток по формуле (33.26) с коэффициентом β равным 2 и
3 в соответствие с методом их изготовления. Из рис. 33.20 видно,
что при увеличении концентрации Pu в смешанном нитридном
топливе, температурная зависимость теплопроводности снижается
по абсолютной величине, и функциональный вид ее существенно
меняется.
455
Рис. 33.20. Зависимость теплопроводности таблеток (U, Pu)N от температуры
при различной концентрации PuN. Коэффициент теплопроводности нормирован
на 100 % плотность соединений (U, Pu)N
На рис. 33.21−33.22 изображены зависимости теплопроводности
смешанного уран-плутониевого нитридного топлива от доли нит-
рида плутония при фиксированных температурах 773 К и 1273 К.
Из рис. 33.21 видно, что при увеличении содержания плутония в
топливе его теплопроводность при фиксированной температуре
1273 К снижается монотонно.
При температуре Т = 773 К теплопроводность смешанного нит-
ридного топлива с увеличением содержания PuN сначала уменьша-
ется, при концентрации PuN в образце ~
0,8 достигает минимума, а
затем при преодолении этого значения вновь растет с увеличением
концентрации PuN (см. рис. 33.21).
Влияние кислорода на теплопроводность уранового и уран-
плутониевого смешанного нитридного топлива можно проследить
на рис. 33.23.
Образцы нитридного уранового и уран плутониевого топлива с
различным содержанием кислорода были изготовлены путем спе-
кания в газовой среде Ar−8% H
2
при температуре 2023 К в течение
18 часов. Характеристики образцов, использованных в эксперимен-
те по определению теплопроводности, указаны на рис. 33.23.
456
Рис. 33.21. Зависимость теплопроводности смешанного уран-плутониевого
нитридного топлива от содержания плутония при температуре 773 К,
полученная в работах разных авторов
Рис. 33.22. Зависимость теплопроводности смешанного уран-плутониевого
нитридного топлива от содержания плутония при температуре 1273 К,
полученная в работах разных авторов
457
Рис. 33.23. Теплопроводность образцов смешанного уран-плутониевого
нитридного топлива как функция температуры при различной концентрации
кислорода в таблетке. Теплопроводность нормирована на 100 % плотность
Микроструктурный анализ показал, что кислород в составе UN
и U
0,8
Pu
0,2
N присутствует в виде выделений фаз диоксида урана.
Из рис. 33.23 следует, что добавление ~
2,0 % кислорода к топ-
ливной таблетке приводит к снижению теплопроводности UN и
U
0,8
Pu
0,2
N на 9–10 % при температуре 1000 К и на 12–13 % при
температуре 1500 К. При более низких температурах влияние доба-
вок кислорода на теплопроводность нитридного топлива менее су-
щественно.
33.5. Диффузия компонентов в мононитриде
Данные по диффузионной подвижности металлических атомов в
нитридах ограничены из-за экспериментальных трудностей. Было
найдено, что диффузия урана в поликристалле UN при давлении
азота от 0,1333 до 26664 Па и в температурной области от 1600 до
1850 °С выражается линейным соотношением между D
U
(в UN) и
2
N
.
p
При данном парциальном давлении подвижность урана не
зависела от температуры.
458
Диффузия плутония, которая определялась на образцах (UPu)N,
имеющих разные составы, разное содержание кислорода и различ-
ную плотность, измерялась в температурной области от 1500 до
1800 °C. В соответствии с полученными данными энергия актива-
ции и энтальпия для диффузии плутония уменьшаются, когда от-
ношение N/(U−Pu) увеличивается, так как для высоких температур
отношение N/(U+Pu) изменяется с изменением
2
N
p . Было опреде-
лено следующее соотношение для коэффициента диффузии плуто-
ния D
Pu
(в см
2
/с) в (U,Pu)N в смешанных кристаллах при 1720 °C:
2
Pu
log 14,2 0,146 log
N
D
p=− + (33.29)
Диффузия азота в нитриде урана. Коэффициенты диффузии
азота в нитриде урана, полученные различными методами, показа-
ны в табл. 33.6.
Таблица 33.6
Диффузия азота в нитриде урана
Температура,
°С
2
N
,p
кПа
2
N
UN N
в~()
n
nD p
D
0
, см
2
/c
ΔH,
кДж/моль
1200−1900
13,2
−
2,6 ⋅ 10
−4
*
230*
1700−2000
От 0,9 до 80 0,36 (1946 °С)
5 ⋅ 10
−5
*
235*
1800−2400
От 2 до 200 Не систематические 12
503±105
1320−1810
От 0,1 до 10 0,5 (1800 °С)
−
260
* При постоянном парциальном давлении азота 13,2 кПа.
33.6. Совместимость мононитридого топлива
с материалами оболочек
Мононитриды урана и плутония обладают узкой областью го-
могенности. Приготовление мононитридов стехиометрического
состава даже в промышленном масштабе намного проще, чем кар-
бидов, так как высшие нитриды разлагаются уже при 1300 °С. Ис-
следования достехиометрических нитридов показало, что компо-
ненты нитрида реагируют с материалом оболочек, образуя интер-
металлидные соединения (U, Pu)Ni
5
или (U, Pu)Fe
2
.
Застехиометрические нитриды имеют в своем составе U
2
N
3
как
вторую фазу. Топливо с застехиометрическим составом при взаи-
459
модействии с оболочкой твэла способно вызвать нитрирование по-
следней.
В температурной области от 600 до 1100 °С была найдена хоро-
шая совместимость между UN, PuN и оболочечными сплавами на
основе никеля: сталь 304 (< 0,08 % C, 18–20 % Cr, 8–11 % Ni,
< 2 % Mn и сталь 316 (< 0,08 % C, 16–18 % Cr, 10–14 % Ni,
< 2 % Mn, 2–3 % Mo, < 1,0 % Si). Обе стали не вступали в химиче-
ское взаимодействия с нитридным топливом в ходе выдержки вте-
чение 1000 ч при температуре 1000 °С. Сталь 304 не испытывала
взаимодействия с топливом в процессе вдержки в течение 5000 ч
при той же температуре.
Однако при температурах Т > 1000 °С интенсивно протекает ре-
акция реакция между нитридом урана и никелем с образованием
жидкой фазы UNi
5
.
3UN + 5Ni = U
2
N
3
+ UNi
5
Для имитации аварийных ситуаций проводились исследования с
целью определения кратковременной совместимости топлива
UPuN c ЭП 823 и ЭП 450 (выдержка в течение 5 ч при 1200 и
1300 °С). Было установлено отсутствие взаимодействия смешанно-
го и уранового мононитридного топлива с перечисленными марка-
ми стали в лабораторных и реакторных условиях при выдержке в
течение 10 000 ч и более.
Кислород может оказывать влияние на взаимодействие нитрид-
ного топлива с оболочкой твэла. При окислении нитрида во время
хранения возникает более высокий азотный потенциал, в результа-
те чего образуются более высокие нитриды. С другой стороны,
кислородные загрязнения топлива стабилизируют азотный потен-
циал более высоких нитридов путем образования твердых раство-
ров UO
2
−U
2
N
3
.
Путем проведения радиационных экспериментов в исследова-
тельском реакторе БР-10 было показано влияние примесей кисло-
рода и углерода на совместимость мононитридного уранового топ-
лива с оболочкой из стали ЭИ 847. В одинаковых условиях облуче-
ния (выгорание 7 ат. %) при массовых долях кислорода и углерода
0,3–0,45 % науглероживание внутренней поверхности оболочки в
3 раза превышало возникающее при массовых долях кислорода и
углерода менее 0,15 %. Причиной науглероживания, по-видимому,
служат последовательно протекающие реакции в сердечнике при
460
температуре от 900–1000 °С в центре до 600–650 °С на поверхно-
сти оболочки:
МеО
2
+ МеС → Ме
x
О
y
С
z
+ СО;
2СО → С + СO
2
.
Выделяющийся углерод на внутренней поверхности оболочки
приводит к ее науглероживанию и охрупчиванию. Таким образом,
для обеспечения совместимости конструкционных материалов с
топливными мононитридами необходимо обеспечить в них массо-
вую долю кислорода и углерода не более 0,15 % при их одновре-
менном присутствии.
Чистый ванадий лучше совместим с UN, чем V−Ti сплав. Ti, со-
держащийся в сплаве, поглощает кислород присутствующий в UN,
что ведет к образованию свободного урана в нитриде, вследствие
чего миграция урана в оболочечных материалах проходит с высо-
кой скоростью. Однако после выдержки 1000 часов при 900 °С не
было обнаружено какого-либо взаимодействия между UN и спла-
вом V–15 % Ti–7,5 % Сr. Ниобий реагирует с UN, образуя Nb
2
N и
уран–ниобиевые сплавы. После 5000 ч выдержки при 1190 °С обра-
зовывалась реакционная зона толщиной 350 мкм. С другой сторо-
ны, топливо UN, частицы которого были покрыты вольфрамом ме-
тодом химического осаждения паров, выдерживали полную совме-
стимость при тех же условиях в течение 10
4
ч. Сплав W–26 % Re
также не проявил взаимодействия, однако становился хрупким по-
сле долгого контактирования с нитридом (более 5000 ч).
Металлические тантал и молибден были несовместимы с UN
при 1200 °С. Уран-содержащая фаза была обнаружена на границах
зерен Mo, содержащего 44 % урана.
33.7. Влияние облучения на свойства мононитрида
33.7.1. Радиационная ползучесть
Для расчета радиационной составляющей ползучести обычно
используют выражение вида:
AFε= ⋅ ⋅σ
, (33.30)
где А = (0,4 – 0,6) · 10
−21
, [(дел/см
3
) · МПа]
−1
– постоянная радиаци-
онной ползучести,
F
– скорость делений в топливе, см
−3
· с
−1
, σ −
напряжение в МПа.
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)