Тенишев лекции (незащищенный фаил) KiFM_2014
.pdf
Оксидное ядерное топливо. Стехиометрия
В достехиометрических оксидах при дефиците кислорода в кислородной подрешетке образуются вакансии.
В застехиометрических оксидах избыток кислорода связан с образованием дополнительных атомов кислорода находящихся в междоузлиях кристаллической решетки.
Таким образом, сохраняется требование электронейтральности. При этом в смешанных оксидах в области достехиометрии свою валентность меняет плутоний, а в области застехиометрии – уран.
Кислородный потенциал
G |
RT ln p |
где pO |
– равновесное парциальное давление кислорода |
|||
O |
O |
|
2 |
|
|
|
2 |
2 |
над оксидом. Свободная энергия, приходящаяся на 1 |
||||
|
|
моль кислорода в твердом теле [кДж/моль]. |
||||
|
|
При увеличении температуры кислородный потенциал |
||||
|
|
возрастает. Введение Pu в UO2 |
увеличивает |
|||
|
|
кислородный потенциал. |
|
|
||
|
|
От величины кислородного потенциала зависит |
||||
|
|
химическое состояние продуктов деления оксидного |
||||
|
|
топлива, |
физические |
свойства, |
характер |
|
|
|
взаимодействия топлива с оболочкой твэла. |
||||
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
31 |
Оксидное ядерное топливо. Производство
Оксидное топливо, как правило, имеет повышенную концентрацию 235U, по сравнению с природным ураном. То есть в современном ЯР используют ЯТ, обогащенное по изотопу 235U. UF6 – единственное соединение урана, которое легко перевести в газообразное состояние. Оно используется для обогащения. Обогащение проводится на
газодиффузионных или центрифужных заводах.
Обогащенный UF6 (гексафторид урана) содержат в контейнерах, которые нагревают и гексафторид превращаясь в газ поступает в производство. Этапы производства:
1.Конверсия UF6 в UO2: а) водные химические процессы, в которых применяется осаждение урана из растворов солей урана. Промежуточный продукт затем прокаливается для получения диоксида урана; б) сухие
химические процессы, в которых конверсия UF6 в UО2 осуществляется с помощью реакций в газовой среде. На выходе имеем порошок UO2.
2.Подготовка пресс-порошка. Полученный на предыдущем этапе порошок смешивается со связующим и необходимыми ЛЭ и уплотняется невысоким давлением в так называемую «шашку», которая впоследствии измельчается путем протира через сита. Полученный пресс-порошок подвергают грануляции и сушке.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
32 |
Оксидное ядерное топливо. Производство
3. Прессование таблеток керамического ядерного топлива на автоматических прессах роторного типа. Давление прессования 2,5 т/см2. Плотность прессовок порядка 50 % от теоретической плотности (ТП).
4. Спекание таблеток в атмосфере Н2 в печах проходного типа при Тmax ~ 1750˚С. Протяженность процесса до 40 часов. Происходит усадка и рост плотности таблеток до 90 - 96 % ТП.
Отношение О/М в топливных таблетках определяется в основном режимами и атмосферой в процессе спекания. Для диоксида урана O/U = 2,001 – 2,0015.
Для MOX-топлива добиваются О/М- 1,97±0,1. При таком составе меньше интенсивность взаимодействия топлива и продуктов деления с оболочкой твэла реактора на быстрых нейтронах.
5. Шлифовка таблеток на бесцентровых станках. Необходима для получения заданного диаметра и зазора между топливным столбом и оболочкой твэла.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
33 |
Оксидное ядерное топливо. Производство
Диаметры таблеток: |
РБМК |
ВВЭР-440 |
ВВЭР-1000 |
БН |
|
11,52 мм |
7,53 мм |
7,58 мм |
5,95 мм |
|
|
|
|
|
Такое различие обусловлено тем, что эти реакторы имеют различную энергонапряженность АЗ и различную линейную мощность [Вт/ см]. Тепловые реакторы : 250 - 300 Вт / см.
Реакторы на быстрых нейтронах: 400 – 500 Вт/см.
Все таблетки должны иметь остаточную пористость, равномерно распределенную по объему таблетки. В порах происходит аккумуляция твердых и газообразных продуктов деления и наличие пор уменьшает распухание топлива.
Обычно в реакторах ВВЭР таблетки имеют плотность: ρ = 96%ТП (теоретическая плотность), то есть 4% пор – это строго нормированная величина (возможны небольшие отклонения).
В БН в зависимости от глубины выгорания: ρ = 92 - 94 % ТП – здесь больше пор, т.к. требуется получить большую глубину выгорания без заметного распухания топлива.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
34 |
Конструкция ТВС и твэла с оксидным топливом для реактора ВВЭР-1000
Параметр конструкции ТВС |
ВВЭР-1000 |
Длительность кампании |
4-х годичная |
Количество ТВС в реакторе, шт. |
169 |
Количество ТВС ежегодной подпитки, шт. |
42 |
Масса UO2 в ТВС, кг |
491 |
Количество твэл в ТВС, шт. |
312 |
Шаг расположения твэл, мм |
12,75 |
Диаметр оболочки твэл, мм |
9,1 |
Среднее обогащение топлива по U235, % |
4,17 |
Тип выгорающего поглотителя |
Gd2O3 |
Материал оболочки твэл |
Сплав Э 110 |
Материал направляющих каналов |
Сплав Э 110, сплав Э635 |
Материал дистанционирующих решеток |
Сплав Э110 |
Средняя глубина выгорания по ТВС, МВт·сутки / кг U |
50 |
1.верхняя концевая заглушка
2.верхний сварочный шов
3.фиксатор топлива
4.топливный сердечник
5.трубчатая оболочка
6.нижний сварочный шов
7.нижняя концевая заглушка
Параметр твэла |
4-х годичная кампания, |
|
твэл/твэг |
Длина, мм |
3842 |
Длина топливного сердечника, мм |
3530 |
Наружный диаметр оболочки, мм |
9,1 |
Толщина стенки оболочки, не менее, мм |
0,63 |
Материал оболочки |
Zr+1%Nb |
Топливо |
Таблетки из UO2/UO2+5%Gd2O3 |
|
с центральным отверстием |
Диаметр отверстия таблетки, мм |
1,5 |
Масса урана в топливе, г |
1386/1292 |
Обогащение топлива при перегрузках, % |
3,0; 3,6; 4,0; 4,4/3,3 |
Фиксатор топливного сердечника |
Пружина из хромоникелевого |
|
сплава |
Нижний сварной шов |
Электронно-лучевая сварка |
Верхний сварной шов |
Контактно-стыковая сварка |
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
35 |
Оксидное ядерное топливо. Свойства
UO2 - 2847 ±10°С
Температура плавления смешанных уран-плутониевых оксидов
PuO2 – 2390±10°С
Выгорание топлива ведет к уменьшению температуры плавления.
Принято считать, что при выгорании 100 ГВт·сут/ т Тпл топлива снижается на 100 °.Это обусловлено накоплением продуктов деления в топливе при выгорании
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
36 |
Теплопроводность оксидного ядерного топлива
1 – фононная составляющая теплопроводности;
2 – электронная составляющая + перенос тепла излучением в порах;
3 – полная теплопроводность UO2
Температурная зависимость теплопроводности UO2+x от нестехиометрии |
|
(0 ≤ x ≤ 0,102) |
|
Максимальной λ обладает диоксид урана стехиометричного состава. |
|
Отклонение от стехиометрии вызывает снижение λ. |
37 |
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
Теплопроводность оксидного ядерного топлива
Максимальной λ обладает диоксид урана со 100% плотностью, то есть при отсутствии пор. Но при ρ = 100 % происходит быстрое распухание, поэтому таблетки изготавливают с пористостью 4 %.
Введение Pu в UO2 снижает λ. Отклонение смешанных оксидов от стехиометрического состава в области как до-, так и застехиометрии снижает
λ.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
38 |
Механические свойства оксидного топлива
Увеличение σв обусловлено тем, что при охлаждении в таблетке увеличиваются напряжения, а при нагреве уменьшаются.
В керамических материалах при высоких температурах наблюдается хрупко-пластичный переход.
Модель механического состояния оксидного |
|
топливного сердечника твэла при облучении его в |
|
высокоэнергонапряженном реакторе. Топливо |
|
делится радиально на зоны, соответствующие |
|
хрупкому (1), полухрупкому (2) и пластичному |
|
состояниям материала (3) |
|
Хрупкая область содержит много трещин, это |
|
плохо, так как при их образовании усиливается |
|
выделение газообразных продуктов деления. Чем |
|
больше хрупкая область, тем больше выделение |
|
ГПД в активную область твэла. |
39 |
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
Радиационная ползучесть оксидного топлива
Ползучесть – пластичная деформация материала под действием постоянной нагрузки при повышенной температуре.
Скорость термической ползучести невысока. Однако при Т <1200 °С под облучением появляется атермическая составляющая ползучести и скорость ползучести оксидного топлива не зависит от температуры.
Поэтому, несмотря на то, что таблетка хрупкая, она подвержена радиационной ползучести, что делает возможным распухание топлива.
1/Т
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
40 |