Калин Физическое материаловедение Том 6 Част 2 2008

нейтронах в качестве материала матрицы используется графит, который обладает самым низким сечением захвата тепловых нейтронов среди конструкционных материалов. Интерес представляют также некоторые виды оксидной керамики на основе металлов с малым сечением захвата тепловых нейтронов, а также термо- и радиационностойкие органические материалы.

Температура плавления материала матрицы определяет максимально допустимый уровень кратковременного подъема температуры активной зоны реактора и поведение последней в аварийных ситуациях. Аллотропические превращения, которые сопровождаются объемными изменениями, являются причиной значительных напряжений в дисперсных композициях. Они недопустимы при рабочих температурах активной зоны, а также в температурных интервалах, в которых происходит ее разогрев и охлаждение. Рабочая температура должна быть на 100 – 150 ºС ниже температуры фазового превращения.

Значения коэффициентов термического расширения материалов матрицы наряду с величинами теплопроводности и модуля упругости характеризуют уровень термических напряжений в матрице и оболочке дисперсного твэла. Материалы матрицы и оболочки твэла с хорошей теплопроводностью обеспечивают эффективную передачу тепла от частиц топлива к теплоносителю. Их целесообразно использовать в дисперсных твэлах с высокой энергонапряженностью. Высокая теплоемкость матричных материалов позволяет получать минимально возможные скорости нарастания температуры твэлов и активной зоны как при изменениях режимов работы реактора, так и при аварийных ситуациях.

Следует также иметь в виду, что хорошее сцепление дисперсных топливных частиц с матрицей способствует улучшению контактной проводимости. В то же время разница коэффициентов термического расширения матрицы и топлива определяет степень их расслоения. Однако если матрица обладает высокой теплопроводностью, то некоторая степень отслоения частиц делящейся фазы от матрицы не будет существенно влиять на работоспособность твэла.

В процессе выгорания топлива в дисперсных композициях возможно возникновение напряжений, обусловленных целым рядом

441

факторов, таких, как различия в термическом расширении материалов матрицы и топлива, давление теплоносителя, действие крепежных и дистанционирующих деталей, а также собственного веса, изменение объема делящейся фазы в результате накопления продуктов 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 напряжений 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 целостность твэла при высоком уровне механических и термических напряжений.

Под воздействием нейтронного облучения и особенно продуктов деления механические свойства конструкционных материалов ухудшаются: возрастают пределы текучести и прочности, увеличивается модуль упругости, снижаются пластичность и вязкость разрушения. Такой характер изменения свойств способствует растрескиванию дисперсного топлива и приводит к досрочному исчерпыванию ресурса работы твэла. Поэтому важной характеристикой материала матрицы дисперсного топлива является его радиационная стойкость, т.е. степень изменения первоначальных свойств при облучении. Среди материалов матриц наиболее высокой радиационной стойкостью обладают сплавы алюминия и магния, которые используются в дисперсном топливе высокопоточных реакторов. Ряд конструкционных материалов (графит, аустенитная сталь, оксид бериллия и некоторые другие) имеет наиболее сильные радиационные повреждения лишь в определенных температурных областях, вне которых их радиационная стойкость является удовлетворительной, и может с успехом использоваться в качестве материала матрицы дисперсных топливных композиций. При высоких температурах, когда скорость отжига радиационных дефектов превышает скорость их генерации, можно применять жаропрочные тугоплавкие металлы, такие, как молибден и вольфрам.

442

Циклические изменения уровня мощности реактора, его остановки и запуски вызывают соответствующие циклические изменения температуры, поэтому конструкционные материалы дисперсного твэла должны обладать высоким сопротивлением термической усталости. Для сопротивления газовому распуханию топлива также предпочтительна матрица, имеющая достаточную прочность при низких и сопротивление ползучести при высоких температурах.

В реальных дисперсных композициях необходимо также учитывать возможность физико-химического взаимодействия материалов матрицы и топлива, которое приводит к объемным изменениям, нежелательным с точки зрения стойкости твэла. Обычно они выбираются таким образом, чтобы при стационарных рабочих режимах твэлов это взаимодействие отсутствовало. Однако при этом необходимо учитывать возможность локального повышения температуры, что может привести к активации физико-химического взаимодействия компонентов дисперсной композиции. В матрицах сложного состава облучение может понижать температуры фазовых превращений и ускорять диффузионные процессы, вызывая тем самым структурно-фазовые изменения.

Матричные материалы, используемые в ДЯТ, должны иметь высокую стойкость в различных типах теплоносителей. Хотя рабочие температуры оболочки и матрицы в дисперсных твэлах, как правило, невелики, однако коррозионные процессы и особенно коррозия под напряжением могут вызвать их разгерметизацию.

Важной характеристикой материала матрицы является технологичность, определяющая возможность изготовления твэлов требуемых размеров и формы. Технологичность в значительной степени зависит от таких механических свойств матрицы, как, например, прочность и пластичность.

Делящиеся материалы. В качестве делящихся материалов в дисперсных топливных композициях используют сплавы и интерметаллиды урана и плутония, а также их соединения с неметаллами. Некоторые широко используемые и перспективные делящиеся материалы и их свойства указаны в табл. 24.38.

443

Для того чтобы обеспечить необходимые глубины выгорания при требуемых значениях энергонапряженности, делящиеся материалы топливных дисперсных композиций должны удовлетворять целому ряду требований. Одним из важнейших является высокое сопротивление формоизменению вследствие распухания, ползучести и радиационного роста, обеспечивающее стабильность дисперсной композиции в процессе облучения.

Снижению распухания делящихся материалов способствует наличие в частицах топлива пористости, где происходит начальное накопление твердых и газообразных продуктов деления. Необходимая величина пористости определяется как глубиной выгорания топлива, так и необходимостью придания частицам прочности, чтобы избежать разрушения последних при изготовлении дисперсных твэлов или их сердечников методами обработки давлением и порошковой металлургии. Наличие пористости в частицах топлива способствует уменьшению напряжений в дисперсных композициях, обусловленных накоплением продуктов деления.

Существенное значение имеет плотность делящегося материала, так как при одной и той же его объемной доле увеличение плотности 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 карбид урана. Однако нитрид урана мало пригоден в качестве делящегося материала, так как азот обладает весьма большим сечением захвата тепловых нейтронов, составляющим (как видно из табл. 24.38) 1,88·10-24 см2.

Немаловажную роль в обеспечении высокой работоспособности дисперсных композиций играют и другие физические свойства топлива. Разница в коэффициентах линейного расширения матрицы и топлива будет определять степень отслоения частиц последнего. Величина коэффициента теплопроводности и характер его температурной зависимости влияют на градиент температур в частицах топлива и на уровень возникающих в них термическая напряжений. Низкие скорости ползучести топлива уменьшают возмож-

445

ность изменения первоначальных формы и размеров сердечников твэлов.

Одним из важнейших факторов является совместимость топлива с материалом матрицы, определяющая размерную стабильность твэла. Обычно топливо выбирают таким образом, чтобы его физикохимическое взаимодействие с материалом матрицы отсутствовало или происходило при температурах, заведомо превышающих рабочие температуры в твэле. Однако при этом следует иметь в виду, что выгорание топлива, сопровождающееся накоплением продуктов деления, может снижать температуры начала физико-химического взаимодействия компонентов дисперсной композиции.

Сопротивление топлива коррозии в теплоносителе имеет важное значение при разгерметизации твэла. Высокая коррозионная стойкость препятствует в этом случае выносу топлива в тракт теплоносителя и обеспечивает низкиескорости нарастания егорадиоактивности.

Существенно повышает стойкость дисперсных композиций использование топливных частиц с нанесенными на них покрытиями из металлов, графита или керамики. Последние существенно уменьшают выход продуктов деления в матрицу.

Сучетом требований к материалам матрицы и топлива созданы

иисследуются многие виды дисперсного топлива, удовлетворяющие условиям работы различных ЯЭУ. Некоторые из них представлены в табл. 24.39.

446

24.6.3. Влияние состава и свойств исходных компонентов на свойства ДЯТ

Свойства ДЯТ как гетерогенной системы зависят от многих факторов, таких, как, например, 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 композиций неодинаково: одни свойства слабо зависят от размера, формы и распределения частиц, другие сильно.

Многочисленными исследованиями показано, что форма дисперсных частиц мало влияет на эффективную теплопроводность дисперсной композиции (рис. 24.275), которая в основном определяется значениями теплопроводности матрицы λ1 и частиц топлива λ2, а также объемным содержанием дисперсной фазы Vf .

Рис. 24.275. Зависимость λ/λ1 = f(V) при ν = λ2/λ1 = 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

447

Для случая, когда дисперсные частицы имеют кубическую форму, теплопроводность дисперсной композиции λ описывается приближенным выражением:

которое можно использовать для практических расчетов. При предельно малом значении коэффициента теплопроводности включений (λ2=0), когда перенос тепла осуществляется только через остов матрицы, формула (24.126) приобретает вид:

Если же включения имеют сферическую или цилиндрическую форму, то

где Kф – коэффициент формы, учитывающий влияние формы включений на коэффициент теплопроводности материала матрицы; для включений сферической формы Kф=3λ1/(2λ1+λ2).

Оценку удельной электропроводности проводят по аналогичным формулам, где λ заменяется на Ω.

Коэффициент термического расширения дисперсной композиции со сферическими включениями рассчитывается по формуле

где αf и αт – коэффициенты линейного расширения; Kf и Kт – модули объемного сжатия дисперсной фазы и матрицы соответственно;

α αf Vf αm Vm , K K f Vf Km Vm , μm = μf – коэффициент

Пуассона дисперсной фазы и матрицы.

Прочность дисперсных композиций с учетом того, что дисперсные частицы являются концентраторами напряжений, описывается соотношением

448

где σ – предел прочности дисперсной композиции, a σ0 – предел прочности материала матрицы. Это уравнение справедливо при расстоянии между частицами топлива в матрице, меньшем их диаметра; его можно применять для учета влияния на прочность пористости матрицы.

Для оценки относительного удлинения дисперсной композиции δ применяется выражение

где δ0 – относительное удлинение материала матрицы.

Модули упругости Е и сдвига G дисперсной композиции можно найти из выражений:

где Gm и Gf – модули сдвига соответственно матрицы и включений. Выражения (24.126) – (24.133), выведенные в предположении, что частицы имеют определенные форму и распределение, описывают лишь общие закономерности изменения свойств дисперсных композиций 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 влияние и свойства оболочек твэлов. Поэтому наиболее достоверные данные о свойствах дисперсных композиций можно получить в ос-

новном экспериментальным путем.

24.6.4. Совместимость компонентов ДЯТ

Физико-химическое взаимодействие между матрицей и топливом при технологических операциях и выгорании приводит к нежелательному изменению свойств дисперсных композиций, а так-

449

же значительным объемным изменениям. Последние могут влиять на тепловой режим работы твэла, вызывать локальные перегревы и приводить к значительным напряжениям, что в совокупности может служить причиной преждевременного выхода дисперсного твэла из строя. Поэтому компоненты ДЯТ выбираются таким образом, чтобы они были совместимы в широком интервале температур, включающем рабочие температуры дисперсных твэлов.

С точки зрения совместимости различные виды дисперсного топлива можно разделить на две группы: термодинамически равновесные и неравновесные. К первой относятся всего лишь несколько композиций, имеющих, однако, весьма важное практическое при-

менение, а именно UAl4-Al, РuAl4-Al, UBe13-Be, U-Mg и UC2-С (графит), которые образуются в системах Al-UAl-Pu, Be-U, Mg-U и С (графит) -U соответственно. Их компоненты не взаимодействуют между собой вплоть до температуры появления жидкой фазы, а компоненты системы Мg-U не смешиваются даже в жидком состоянии. Равновесные дисперсные композиции можно получать как плавкой и литьем, так и методами порошковой металлургии.

Ко второй группе принадлежит большинство дисперсных топливных композиций, компоненты которых взаимодействуют между собой не только в жидком, но и в твердом состояниях в определенных температурных интервалах. Рабочие температуры их применения должны быть ниже температуры начала физико-химического взаимодействия компонентов. Неравновесные дисперсные композиции изготавливают различными методами порошковой металлургии.

Взаимодействие веществ в твердой фазе происходит в результате хемосорбции и следующей за ней химической реакции, вследствие чего на поверхности раздела образуется первичный слой продуктов реакции.

Диффузия компонентов исходных веществ через этот слой приводит к тому, что ионы диффундирующего элемента, выходя на границу соприкосновения продукта реакции с каким-либо из исходных веществ, вступают в химическую реакцию с атомами или ионами этого вещества и образуют новые молекулы: происходит увеличение толщины слоя продукта реакции.

450