Тенишев лекции (незащищенный фаил) KiFM_2014

Металлическое ЯТ. Свойства урана.

Термическое расширение урана

Монокристаллический -уран также обладает анизотропией коэффициента линейного расширения по кристаллографическим осям:

a = b = (23,4 ± 1,5)·10-6 К-1 и с = (6 ± 2)·10-6 К-1.

Изотропный γ-уран с ОЦК решеткой имеет коэффициент линейного расширения (22,5 ± 1,3)·10-6 К-1.

Сильная анизотропия коэффициента линейного расширения монокристаллов - и, особенно, -урана приводит к тому, что в поликристаллическом уране, имеющем квазиизотропную структуру, при нагреве или охлаждении возникают значительные внутренние напряжения, превышающие предел текучести. Они являются причиной сдвигов и двойникования в зернах урана.

Металлическое ЯТ. Свойства урана.

Пластичная деформация U при Т до 350 °С осуществляется главным образом за счет механизма деформации – двойникование, что не обеспечивает высокую пластичность. При Т > 350 °С доминирует скольжение.

Поэтому α-U можно обработать давлением и пластически деформировать при Т > 300 °С (прокатка, ковка и т.д.)

Текстура U

Текстура – предпочтительная ориентация кристаллитов в материале. Текстура образуется в U при его пластической деформации.

Наличие текстуры ухудшает радиационную стойкость, поэтому U подвергают термической обработке (закалке) из β фазы, чтобы разрушить текстуру.

Термическая обработка U

Закалка с температур существования β-U и иногда γ-U. Нагрев производят в расплавленных солях, а закалку в воду или масло.

Закалкой достигается:

1.Разрушение текстуры => уменьшение радиационного роста.

2.Измельчение зерна U. Для U оптимальный размер зерен:150-200мкм. У литого U размер зерен 2000-3000 мкм.

Металлическое ЯТ. Сплавы U.

Нелегированный (чистый) U не используется как ЯТ из-за низких механических свойств и низкой радиационной стабильности.

Ватомной энергетике используются только сплавы:

1.Слаболегированные α-сплавы на основе U природного изотопного состава:

а) Нормированный U (мало легирующих добавок) (0,02-0,04)%Fe+(0,08- 0,12)%Al в матрице α-U находятся мелкодисперсные включения UAl2,

U6Fe

б) Сикрали (типа F1, F2) (0,08-0,07)%Al+0,03%Fe+(0,02-0,04)%Si+(0,01- 0,02)%Cr, что обеспечивает более сложный состав интерметаллидов.

Слаболегированные сплавы подвергаются термообработке: закалка + отжиг в течении 3 ч при Т=550 °С для создания структуры с мелкодисперсными выделениями интерметаллидов.

Используются в газографитовых реакторах (ГГР). Теплоноситель – СО2

(Тmax= 400 °С, PCO2 до 3 МПа), оболочка твэла – сплав магния, топливный сердечник – слаболегированные α-сплавы урана.

Металлическое ЯТ. Сплавы U.

2. Среднелегированные (α+γ)-сплавы U. Содержание ЛЭ Х мас. %. Не нашли применения.

3. Сильнолегированные γ-сплавы U Содержание ЛЭ Х·10 мас. %. U- (9-12)%Мо, U-(30-80)%Zr, U-(17-30)%Nb

т.к. много ЛЭ, необходимо использовать обогащенный U

В реакторе имеют решетку ОЦК => не подвержены радиационному росту.

Однако, все виды ЯТ подвержены газовому распуханию!

Использовали на Белоярской и Билибинской АЭС (обогащение 5%), но γ-сплавы целесообразно использовать в БР.

4. Сплавы системы U-Fs (Fs - фиссиум). Fs = Σ Mo, Ru, Rh, Pd, Tc.

Получают методом окислительного шалакования ОЯТ. Соотношение элементов в Fs постоянное, а его содержание в сплаве зависит от глубины выгорания ОЯТ подвергающегося переработке + разбавлением отвальным U. ЕBR-II(Америка) реактор на быстрых нейтронах. Экспериментальный сплав

U-3,42%Mo-2,63% Ru-0,99%Tc-0,47%Rh-0,30%Pd

Сплавы U-Fs подобны γ-сплавам U, т.е. имеют ОЦК решетку и => повышенную радиационную стойкость.

Радиационный рост урана

Радиационный рост - изменение формы и размеров изделий без изменения их объема под действием

a

Радиационный рост моно- и поликристаллического урана: а – совершенный монокристалл (1 – исходный цилиндрический

образец: 2 – увеличение продольного размера; 3 – изменение поперечного сечения);

б – псевдомонокристалл; внизу показан исходный образец; в – пруток урана с сильной текстурой; внизу показан исходный образец

Радиационный рост U

Зависимость коэффициента роста Gi от температуры облучения

при плотности делений

1,8·1012 дел./(см3·с); каждая точка на графике – среднее арифметическое для 3–30 образцов

Влияние температуры

Радиационный рост U

Изменение длины образцов урана, подвергнутых различной термической обработке при облучении большими дозами: 1 – прокатка при 300 °С; 2 – прокатка при 600 °С; 3 – прокатка при 300 °С (закалка из - фазы); 4 – прокатка при 300 °С (закалка из - фазы и рекристаллизация)

Способы уменьшения радиационного роста.

Все урановые сердечники должны быть подвержены закалке. Легирование урана элементами

стабилизирующими γ-фазу (Mo,Zr и тд.), или Al, Fe,Cr, Si, которые вводятся в слабо легированный уран.

Использование прочных оболочек, препятствующих деформации урановых сердечников.

Распухание U и его сплавов

Распухание U и его сплавов

Температурная зависимость

распуханием U

распухания высокочистого урана

Изготовление центрального

и его сплавов:

ответвления в урановом

I – высокочистый уран (5÷56·10-4

сердечнике.Распухание будет

ат.% С);

направлено к центру, при этом

II – U–(4·10-2 ат.% С)–(1,4·10-2

внешние размеры будут

ат.% Fe) –(0,95·10-2 ат.% Si);

меняться мало.

III – U–(5·10-2 ат.% С)–(4·10-2

Использование прочных

ат.% Fe)–(0,85·10-2 ат.% Si)–

оболочек.

(6,45·10-2 ат.% Al)

Легирование.