Тенишев лекции (незащищенный фаил) KiFM_2014
.pdf
Перестройка структуры оксидного топлива
при выгорании
При выходе реактора на мощность, происходит увеличение линейной мощности твэла, что сопровождается следующими
структурными изменениями:
-70Вт/ см происходит образование трещин в таблетке;
-250 Вт/см происходит фрагментация таблетки, то есть разделение ее на мелкие части;
-300 Вт/см происходит смещение фрагментов относительно друг друга.
-при более высокой линейной мощности происходит перестройка структуры таблеток: в центре образуется отверстие (центральный канал) и вытянутые кристаллы (столбчатая структура), потом идет зона крупных равноосных зерен, а на периферии сохраняется зона исходной структуры.
Частичная перестройка структуры возможна при повышении температуры центра топливного столба более 1300 °С.
Полная перестройка структуры наблюдается только тогда, когда температура центра топлива превышает 1700-1800 °С!
Таким образом процесс перестройки структуры характерен для твэлов реакторов на быстрых нейтронах.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
41 |
Перестройка структуры оксидного топлива при выгорании
Схематическое изображение эволюции структуры МОХ-топлива в процессе его выгорания (сектор I – исходная структура; сектор II – растрескивание топлива при выходе реактора на мощность; секторы IV и IX – трещины в структуре топлива после остановки реактора;
секторы III и V – VIII –
структура топлива при указанных выгораниях.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
42 |
Перестройка структуры оксидного топлива при выгорании
Центральный канал образуется из-за миграции пор под воздействием механизма испарениеконденсация. Миграция пор идет только из зоны столбчатых кристаллов. Перестройка структуры происходит в начальный момент выгорания топлива, в первые часы или дни.
а – 500 Вт/см; |
б – 600 Вт/см |
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
43 |
Перестройка структуры оксидного топлива в реакторах на тепловых нейтронах при глубоком выгорании
В реакторах на тепловых нейтронах при выгорание В > 40 ГВт·сут/т U происходит образование краевой или rim-зоны на периферии топливного столба. С увеличением глубины выгорания толщина rim-зоны возрастает.
Впоследнее время образующуюся структуру все чаще называют структурой высокого выгорания (HBS – high burnup structure)
Зависимость ширины реструктурированной области от среднего выгорания.
Керамография травленного образца диоксида урана |
|
(выгорание 81 ГВт·сут./т U) |
44 |
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
Перестройка структуры оксидного топлива в реакторах на тепловых нейтронах при глубоком выгорании
В тонкой периферийной области таблетки нейтроны имеют энергию, необходимую для инициирования резонансного захвата изотопом 238U. Происходит накопление 239Pu, что увеличивает число делений и локальное выгорание в 2-3 раза по сравнению со средним значением по
таблетке.
Характеристики структуры высокого
выгорания |
|
1. Высокая концентрация мелких пор. |
|
2.Уменьшение размера зерен до 0,3 мкм. |
|
3.Концентрация Pu выше чем в среднем по |
|
таблетке. |
|
4.Концентрация продуктов деления выше, |
|
чем по таблетке, вследствие более глубокого |
|
выгорания топлива в КЗ. |
45 |
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
Радиационное доспекание оксидного топлива
при выгорании
Происходит на начальной стадии выгорания топлива до 5 МВт·сут/кг U.
Доспекание приводит к:
Уменьшению диаметра и высоты топливного столба; Увеличению зазора топливо-оболочка; Ухудшению теплообмена между оболочкой твэла и топливом.
Увеличению температуры топливного столба, а следовательно дополнительному выделению ГПД (Xe, Kr).
Таким образом, явление радиационного доспекания приводит к ограничению начальной мощности реактора!
Влияние облучения на распределение пор по размерам в нестабильном оксидном топливе. Распределение пористости в нестабильном топливе: 1 – исходная пористость; 2 – начальное уплотнение; 3 – дальнейшее уплотнение; 4 – конечная пористость
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
46 |
Радиационное доспекание оксидного топлива при выгорании
Изменение плотности топлива
Δρ/ρтеор от выгорания:
1, 2 – нестабильное топливо 92 и
95 % ТП ;
3, 4 – стабильное топливо с плотностью соответственно 92 и 95 % ТП
Доспекание ЯТ зависит от:
1.Исходной плотности топлива. Она не должна быть слишком низкой ρ > 93% ТП
2.Размеров пор. Доминирование крупных пор, размером более 2-3 мкм уменьшает радиационное доспекание.
3.Размера зерен ЯТ. Чем больше размеры ЯТ, тем меньше доспекание. Размеры зерен должны быть >10 мкм..
Топливо, имеющее такие характеристики называется термически стабильным.
Полностью избежать доспекания не возможно!
Всегда существуют мелкие поры, но их количество может меняться.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
47 |
Перераспределение кислорода и актиноидов в оксидном топливе
Высокие температуры и градиенты температур 500-600 °С/мм по радиусу топливной таблетки являются движущей силой, вызывающей перераспределение O2 и Pu.
|
Перераспределение кислорода |
|
|
Изначально распределение кислорода по |
|
|
всей таблетке одинаково. |
|
|
Застехиометрическое. топливо. |
|
|
При выгорании начинается миграция |
|
|
кислорода от периферии к центру. |
|
|
Достехиометрическое топливо. |
|
|
При выгорании начинается миграция |
|
|
кислорода от центра к периферии. |
|
|
Это приводит к градиенту концентрации |
|
|
кислорода по радиусу топливного столба |
|
Радиальное перераспределение |
=> появляется градиент свойств, |
|
кислорода в МОХ-топливе с |
ухудшает рабочие характеристики |
|
различными начальными |
топлива. Необходимо учитывать при |
|
значениями О/М |
эксплуатации! |
48 |
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
||
Перераспределение кислорода и актиноидов
в оксидном топливе
Перераспределение Pu
Перераспределение плутония в МОХ-топливе с различными исходными значениями О/М при разной линейной мощности
Перераспределение Pu вызвано неконгруэнтным характером испарения топлива при движении пор, формирующих зону столбчатых кристаллов.
Рост СPu вблизи центральной полости приводит к росту Т, которая может превысить Тпл. Линейная мощность твэла должна быть уменьшена на величину, доходящую до 130 Вт/см, что означает ухудшение тепловых характеристик топлива на ~25 %.
Перераспределение актиноидов прекращается, как только все поры достигнут центральной полости.
В твэлах с высокой удельной мощностью этот процесс заканчивается примерно через
100 часов.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
49 |
Продукты деления в оксидном топливе
Продукты деления вызывают распухание, ускоряют взаимодействие с оболочкой и воздействуют на многие свойства топлива, такие как, например, температура плавления, теплопроводность,
ползучесть, прочность и др.
Выход основных продуктов деления на быстрых нейтронах
(включены элементы, выход которых составляет более 1 %)
Химическая группа |
Выход элементов, ат. доли |
|
||
элементов |
U235 |
|
Pu239 |
|
Zr + Nb |
0,298 |
|
0,204 |
|
|
|
|
|
|
Y + другие РЗЭ |
0,534 |
|
0,471 |
|
|
|
|
|
|
Ba + Sr |
0,149 |
|
0,096 |
|
|
|
|
|
|
Mo |
0,240 |
|
0,203 |
|
|
|
|
|
|
Ru +Tc + Rh + Pd |
0,263 |
|
0,516 |
|
|
|
|
|
|
Cs + Rb |
0,226 |
|
0,189 |
|
|
|
|
|
|
I + Te |
0,012 |
|
0,070 |
|
|
|
|
|
|
Xe + Kr |
0,251 |
|
0,248 |
50 |
|
|
|
|
|
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
|
|||