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
481
Следует также иметь в виду, что хорошее сцепление дисперс-
ных топливных частиц с матрицей способствует улучшению кон-
тактной проводимости. В то же время разница коэффициентов
термического расширения матрицы и топлива определяет степень
их расслоения. Однако если матрица обладает высокой теплопро-
водностью, то некоторая степень отслоения частиц делящейся фа-
зы от матрицы не окажет существенного влияния на работоспо-
собность твэла.
В процессе выгорания топлива в дисперсных композициях воз-
можно возникновение напряжений, обусловленных целым рядом
факторов, таких, как различия в термическом расширении матери-
алов матрицы и топлива, давление теплоносителя, действие кре-
пежных и дистанционирующих деталей, а также собственного веса,
изменение объема делящейся фазы в результате накопления про-
дуктов деления, взаимодействие материалов твэлов, радиационные
дефекты и т.д. Могут также иметь место и локальные нагрузки, к
которым приводят местное термическое расширение топливных
частиц, газовое распухание и т.д. Поэтому для релаксации напря-
жений и уменьшения формоизменения без растрескивания матрица
должна изготавливаться из материалов, обладающих необходимым
сочетанием прочности и пластичности при рабочих температурах
активной зоны реактора. Прочная и пластичная матрица способна
удерживать газообразные продукты деления и сохранять целост-
ность твэла при высоком уровне механических и термических
напряжений.
Под воздействием нейтронного облучения и особенно продук-
тов деления механические свойства конструкционных материалов
ухудшаются: снижаются пластичность и вязкость разрушения. Та-
кой характер изменения свойств способствует растрескиванию
дисперсного топлива и приводит к досрочному исчерпыванию ре-
сурса работы твэла. Поэтому важной характеристикой материала
матрицы дисперсного топлива является его радиационная стой-
кость, т.е. степень изменения первоначальных свойств при облуче-
нии. Среди материалов матриц наиболее высокой радиационной
стойкостью обладают сплавы алюминия и магния, которые исполь-
зуются в дисперсном топливе высокопоточных реакторов. Ряд кон-
струкционных материалов (графит, аустенитная сталь, оксид бе-
риллия и некоторые другие) имеет наиболее сильные радиацион-
482
ные повреждения лишь в определенных температурных областях,
вне которых их радиационная стойкость является удовлетвори-
тельной, и может с успехом использоваться в качестве материала
матрицы дисперсных топливных композиций. При высоких темпе-
ратурах, когда скорость отжига радиационных дефектов превышает
скорость их генерации, можно применять жаропрочные тугоплав-
кие металлы, такие, как молибден и вольфрам.
Циклические изменения уровня мощности реактора, его оста-
новки и запуски вызывают соответствующие циклические измене-
ния температуры, поэтому конструкционные материалы дисперс-
ного твэла должны обладать высоким сопротивлением термиче-
ской усталости. Для сопротивления газовому распуханию топлива
также предпочтительна матрица, имеющая достаточную прочность
при низких и сопротивление ползучести при высоких темпера-
турах.
В реальных дисперсных композициях необходимо также учиты-
вать возможность физико-химического взаимодействия материалов
матрицы и топлива, которое приводит к объемным изменениям,
нежелательным с точки зрения стойкости твэла. Обычно они выби-
раются таким образом, чтобы при стационарных рабочих режимах
твэлов это взаимодействие отсутствовало. Однако при этом необ-
ходимо учитывать возможность локального повышения температу-
ры, что может привести к активации физико-химического взаимо-
действия компонентов дисперсной композиции. В матрицах слож-
ного состава облучение может понижать температуры фазовых
превращений и ускорять диффузионные процессы, вызывая тем
самым структурно-фазовые изменения.
Матричные материалы, используемые в ДЯТ, должны иметь вы-
сокую стойкость в различных типах теплоносителей. Хотя рабочие
температуры оболочки и матрицы в дисперсных твэлах, как прави-
ло, невелики, однако коррозионные процессы и особенно коррозия
под напряжением могут вызвать их разгерметизацию.
Важной характеристикой материала матрицы является техноло-
гичность, определяющая возможность изготовления твэлов требу-
емых размеров и формы. Технологичность в значительной степени
зависит от таких механических свойств матрицы, как, например,
прочность и пластичность.
483
34.2.2. Делящиеся материалы
В качестве делящихся материалов в дисперсных топливных
композициях используют сплавы и интерметаллиды урана и плуто-
ния, а также их соединения с неметаллами. Некоторые широко ис-
пользуемые и перспективные делящиеся материалы и их свойства
указаны в табл. 34.3.
Для того, чтобы обеспечить необходимые глубины выгорания
при требуемых значениях энергонапряженности, делящиеся мате-
риалы топливных дисперсных композиций должны удовлетворять
целому ряду требований. Одним из важнейших является высокое
сопротивление формоизменению вследствие распухания, ползуче-
сти и радиационного роста, обеспечивающее стабильность дис-
персной композиции в процессе облучения.
Снижению распухания делящихся материалов способствует
наличие в частицах топлива пористости, где происходит начальное
накопление твердых и газообразных продуктов деления. Необхо-
димая величина пористости определяется как глубиной выгорания
топлива, так и необходимостью придания частицам прочности,
чтобы избежать разрушения последних при изготовлении дисперс-
ных твэлов или их сердечников методами обработки давлением и
порошковой металлургии. Наличие пористости в частицах топлива
способствует уменьшению напряжений в дисперсных композици-
ях, обусловленных накоплением продуктов деления.
Существенное значение имеет плотность делящегося материала,
так как при одной и той же его объемной доле увеличение плотно-
сти будет способствовать повышению концентрации делящегося
изотопа в дисперсной композиции. Наиболее высокой плотностью
обладает металлическое ядерное топливо. Среди различных видов
керамического топлива большую плотность имеют нитрид и кар-
бид урана. Однако нитрид урана мало пригоден в качестве деляще-
гося материала, так как азот обладает весьма большим сечением
захвата тепловых нейтронов, составляющим (как видно из
табл. 34.3) 1,88
·
10
–24
см
2
.
Немаловажную роль в обеспечении высокой работоспособности
дисперсных композиций играют и другие физические свойства
топлива. Разница в коэффициентах линейного расширения матри-
цы и топлива будет определять степень отслоения частиц по-
следнего.
484
Таблица 34.3
Делящиеся материалы дисперсных топливных композиций
Температра
плавления,
К
1405
1423
3138
2780
2773
Разлагается
при нагреве
730
3035 (при
p
N
= 0,1 МПа)
3023
Плот-
ность,
г/см
3
18,9
17,12
10,96
13,61
12,86
7,3
6,1
14,32
11,04
Тип
решетки
Орторомбич.
(Т<936 К)
ОЦК
(Т > 838 K)
ГЦК
(типа CaF
2
)
ГЦК
(типа NaCl)
ГЦК
(типа CaF
2
)
Орторомбич.
Ромбич.
ГЦК
(типа NaCl)
ГЦК
(типа CaF
2
)
Теплопро-
водность,
Вт/(м·К)
35
(670 К)
29
(870 К)
3
(1270 К)
21,6
(до 1270 К)
35 (до 1270 К)
–
–
20
(1023 К)
2,7
(1270 К)
Коэффициент
термического
расширения,
10
-6
К
-1
19,0
(до 920 К)
12,3
(до 670 К)
10,1
(до 1270 К)
11,6
(до 1470 К)
18,1
(1970 К)
–
–
9,3
(до 1270 К)
10,3
(до 1270 К)
Относитель-
ное содержа-
ние урана
в единице
объема
1,0
0,89
0,51
0,69
0,56
0,33
0,22
0,71
0,51
Сечение захвата
тепловых
нейтронов матер.
разбавителем,
10
-24
см
2
−
2,7
2·10
-4
3,73·10
–3
3,73·10
–3
2·10
–4
0,241
1,88
2·10
–4
Делящийся
материал
U
U-10% Mo
UO
2
UC
UC
2
U
3
O
8
UAl
4
UN
(U
0,8
Pu
0,2
)O
2,0
485
Величина коэффициента теплопроводности и характер его
температурной зависимости влияют на градиент температур в ча-
стицах топлива и на уровень возникающих в них термическая
напряжений. Низкие скорости ползучести топлива уменьшают
возможность изменения первоначальных формы и размеров сер-
дечников твэлов.
Одним из важнейших факторов является совместимость топлива
с материалом матрицы, определяющая размерную стабильность
твэла. Обычно топливо выбирают таким образом, чтобы его физико-
химическое взаимодействие с материалом матрицы отсутствовало
или происходило при температурах, заведомо превышающих рабо-
чие температуры в твэле. Однако при этом следует иметь в виду, что
выгорание топлива, сопровождающееся накоплением продуктов де-
ления, может снижать температуры начала физико-химического вза-
имодействия компонентов дисперсной композиции.
Сопротивление топлива коррозии в теплоносителе имеет важное
значение при разгерметизации твэла. Высокая коррозионная стой-
кость препятствует в этом случае выносу топлива в тракт теплоноси-
теля и обеспечивает низкие скорости нарастания его радиоактивности.
Существенно повышает стойкость дисперсных композиций ис-
пользование топливных частиц с нанесенными на них покрытиями
из металлов, графита или керамики. Последние существенно
уменьшают выход продуктов деления в матрицу.
С учетом требований к материалам матрицы и топлива созданы
и исследуются многие виды дисперсного топлива, удовлетворяю-
щие условиям работы различных ЯЭУ. Некоторые из них пред-
ставлены в табл. 34.4.
Таблица 34.4
Используемые виды ДЯТ
Топливо Матрица
UO
2
Коррозионно-стойкая сталь, нихром, молибден, вольфрам, ни-
обий, алюминий, цирконий, никель, циркалой, графит,
оксиды алюминия и бериллия
U
3
O
8
, UAl
4
Алюминий
U Магний, торий, цирконий, циркалой
U – 9 % Mo Магний
UZr
2
Цирконий, циркалой
UC Коррозионно-стойкая сталь, цирконий, циркалой
UN Коррозионно-стойкая сталь, цирконий
U
3
Si, U
6
Ni, U
2
Ti Цирконий
486
34.3. Влияние состава и свойств
исходных компонентов на свойства ДЯТ
Свойства ДЯТ как гетерогенной системы зависят от многих
факторов, таких, как свойства матрицы и делящейся фазы, размер,
форма и объемное содержание частиц делящейся фазы, характер их
распределения в матрице, технология изготовления и т.д. Влияние
хрупких и твердых частиц топлива на свойства топливных компо-
зиций неодинаково: одни свойства слабо зависят от размера, фор-
мы и распределения частиц, другие сильно.
Многочисленными исследованиями показано, что форма дис-
персных частиц мало влияет на эффективную теплопроводность
дисперсной композиции (рис. 34.8), которая в основном определя-
ется значениями теплопроводности матрицы λ
1
и частиц топлива
λ
2
, а также объемным содержанием дисперсной фазы V
f
.
Рис. 34.8. Зависимость λ/λ
1
= f (V
f
) при ν = λ
2
/λ
1
= 0 для куба
с вкраплениями различной формы:
1, 2, 3 – результаты расчетов на ЭВМ для включений соответственно в форме
куба, дипирамиды и сферы; 4, 5 – результаты приближенных расчетов
для включения в форме куба соответственно при изотермическом
и адиабатическом дроблениях элементарной ячейки
487
Для случая, когда дисперсные частицы имеют кубическую фор-
му, теплопроводность дисперсной композиции λ описывается при-
ближенным выражением:
1
λλ
=
, (34.6)
которое можно использовать для практических расчетов. При пре-
дельно малом значении коэффициента теплопроводности включе-
ний (λ
2
=0), когда перенос тепла осуществляется только через остов
матрицы, формула (34.6) приобретает вид:
()
1
21
λλ
2
f
f
V
V
−
=
+
. (34.7)
Если же включения имеют сферическую или цилиндрическую
форму, то
()
()
21 ф
1
ф
11λ/λ
λλ
11
f
f
KV
KV
−− ⋅ ⋅
=⋅
+−⋅
, (34.8)
где K
ф
– коэффициент формы, учитывающий влияние формы
включений на коэффициент теплопроводности материала матрицы;
для включений сферической формы K
ф
= 3λ
1
/(2λ
1
+ λ
2
).
Оценку удельной электропроводности проводят по аналогич-
ным формулам, где λ заменяется на Ω.
Коэффициент термического расширения дисперсной компози-
ции со сферическими включениями рассчитывается по формуле
()( )
()( )
{}
ααα
α
1/212
mfm f f m
fm m
VV K K
KK
−⋅ − ⋅ −
=
+⋅+ν ⋅−⋅ν
, (34.9)
где α
f
и α
т
– коэффициенты линейного расширения топлива и мат-
рицы соответственно; K
f
и K
т
– модули объемного сжатия дисперс-
ной фазы и матрицы соответственно; αα α
f
fmm
VV=⋅+⋅,
f
fmm
KKV KV=⋅+⋅,
mf
ν
=ν – коэффициент Пуассона дисперс-
ной фазы и матрицы.
1
12
1
λ
λλ 3
f
f
V
V−
−
−
488
Прочность дисперсных композиций с учетом того, что дисперс-
ные частицы являются концентраторами напряжений, описывается
соотношением
2/3
0
5/3
11,209
σσ
1 0,437 2,41
f
ff
V
VV
−⋅
=⋅
+⋅+⋅
, (34.10)
где σ – предел прочности дисперсной композиции, a σ
0
– предел
прочности материала матрицы. Это уравнение справедливо при
расстоянии между частицами топлива в матрице, меньшем их диа-
метра; его можно применять для учета влияния на прочность пори-
стости матрицы.
Для оценки относительного удлинения дисперсной композиции
δ применяется выражение
()
2/3
2/3
0
δδ 11,21
f
V=⋅− ⋅ , (34.11)
где δ
0
– относительное удлинение материала матрицы.
Модули упругости Е и сдвига G дисперсной композиции можно
найти из выражений:
()
3,4
1
mf
EE V=⋅− , (34.12)
где Е
m
– модуль упругости материала матрицы;
()
5/(32)
mfmf f
GG G G V G G G=+ − ⋅⋅ + , (34.13)
где G
m
и G
f
– модули сдвига соответственно матрицы и включений.
Выражения (34.6)–(34.13), выведенные в предположении, что
частицы имеют определенные форму и распределение, описывают
лишь общие закономерности изменения свойств дисперсных ком-
позиций в зависимости от состава. Они не учитывают сильного
влияния на эти свойства неоднородностей структуры, технологии,
горячей и холодной обработок давлением, термообработки и т.д.
Следует также иметь в виду, что на свойства ДЯТ оказывают влия-
ние и свойства оболочек твэлов. Поэтому наиболее достоверные
данные о свойствах дисперсных композиций можно получить в ос-
новном экспериментальным путем.
489
34.4. Совместимость компонентов ДЯТ
Физико-химическое взаимодействие между матрицей и топли-
вом при технологических операциях и выгорании приводит к не-
желательному изменению свойств дисперсных композиций, а так-
же значительным объемным изменениям. Последние могут влиять
на тепловой режим работы твэла, вызывать локальные перегревы и
приводить к значительным напряжениям, что в совокупности мо-
жет служить причиной преждевременного выхода дисперсного
твэла из строя. Поэтому компоненты ДЯТ выбираются таким обра-
зом, чтобы они были совместимы в широком интервале темпера-
тур, включающем рабочие температуры дисперсных твэлов.
С точки зрения совместимости различные виды дисперсного
топлива можно разделить на две группы: термодинамически равно-
весные и неравновесные. К первой относятся всего лишь несколько
композиций, имеющих, однако, весьма важное практическое при-
менение, а именно UAl
4
−Al, РuAl
4
−Al, UBe
13
−Be, U−Mg и UC
2
−С
(графит), которые образуются в системах Al-U, Al−Pu, Be−U,
Mg−U и С (графит)
−
U соответственно. Их компоненты не взаимо-
действуют между собой вплоть до температуры появления жидкой
фазы, а компоненты системы Мg−U не смешиваются даже в жид-
ком состоянии. Равновесные дисперсные композиции можно полу-
чать как плавкой и литьем, так и методами порошковой металлур-
гии.
Ко второй группе принадлежит большинство дисперсных топ-
ливных композиций (например UO
2
−Al, UMo−Al), компоненты ко-
торых взаимодействуют между собой не только в жидком, но и в
твердом состояниях в определенных температурных интервалах.
Рабочие температуры их применения должны быть ниже темпера-
туры начала физико-химического взаимодействия компонентов.
Неравновесные дисперсные композиции изготавливают различны-
ми методами порошковой металлургии.
Взаимодействие веществ в твердой фазе происходит в результа-
те хемосорбции и следующей за ней химической реакции, вслед-
ствие чего на поверхности раздела образуется первичный слой
продуктов реакции.
Диффузия компонентов исходных веществ через этот слой при-
водит к тому, что ионы диффундирующего элемента, выходя на
490
границу соприкосновения продукта реакции с каким-либо из ис-
ходных веществ, вступают в химическую реакцию с атомами или
ионами этого вещества и образуют новые молекулы: происходит
увеличение толщины слоя продукта реакции.
Механизм твердофазного взаимодействия определяется в первую
очередь характером межатомного взаимодействия (характером сил
связи) исходных материалов. Эти взаимодействия зависят от элек-
тронной структуры материалов. Характером сил связи определяются
в итоге и морфологические особенности продуктов реакции.
Химические реакции в гетерогенных системах характеризуются
специфическими кинетическими закономерностями. Их характер-
ной особенностью является локализация реакционной зоны на по-
верхности раздела фаз твердого реагента и твердого продукта ре-
акции. Такая поверхность образуется и изменяется в результате
самого химического процесса. По мере перемещения реакционной
зоны в ходе процесса вглубь твердого тела реакция может перехо-
дить из одной макрокинетической области в другую даже при по-
стоянной температуре системы. Это объясняется неодинаковой
чувствительностью отдельных стадий процесса к изменению тем-
пературы; чаще всего наименее чувствителен к нему процесс заро-
дышеобразования.
Обычно общая скорость гетерогенного превращения является
функцией скоростей двух процессов – химической реакции и диф-
фузии.
Для контактных твердофазных реакций характерно наличие
границы раздела между реагентами, при которой отношение пло-
щади контакта к объему взаимодействующих фаз невелико и взаи-
модействие носит главным образом диффузионный характер. Дру-
гими словами, для этого типа реакций характерны слаборазвитая
реакционная способность и резко выраженное явление диффузион-
ного торможения. В ряде систем, например UO
2
−Mo, UO
2
−W, об-
наружен кооперативный характер диффузии компонентов химиче-
ского соединения преимущественно по границам зерен металла.
Повышение плотности дефектов приводит к тому, что процесс ста-
нет автокаталитичным.
Лимитирующую стадию процесса взаимодействия при данной
температуре можно определить по виду временной зависимости,
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)