Тенишев лекции (незащищенный фаил) KiFM_2014
.pdf
Физическое состояние ПД в оксидном ЯТ
По физико-химическому взаимодействию с матрицей оксидного ядерного топлива ПД подразделяются на следующие группы:
1.ПД растворимые в топливе (лантаноиды, Zr, La).
2.ПД нерастворимые в топливе и образующие самостоятельные оксидные фазы типа (Ba,Sr)ZrO3.
3.ПД, образующие металлические фазы (Pu, Rh, Pd, Tс и Мо) в виде сплавов этих элементов.
4.Легколетучие ПД: Rb, Cs, Te, I.
5.Газообразные ПД: Xe, Kr
6.Осколочный молибден, который может находиться либо в металлическом состоянии, либо в виде оксида.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
51 |
Химическое состояние ПД в оксидном ЯТ
Когда осколок деления находится в оксидном топливе, возможна следующая реакция:
2 |
(ПД ) O |
2 |
|
2 |
(ПД )On |
|
|
||||
n |
|
|
n |
||
Зависимость свободной энергии Гиббса образования оксидов
продуктов деления, а так же кислородного потенциала UO2±x и (U,Pu)O2±x от температуры
ПД также взаимодействуют между |
|
собой, и их химия очень сложная. |
|
Осколочный Cs, выход которого в 2 раза |
|
больше выхода I, образует соединение CsI. |
|
CsI разлагается под действием облучения, |
|
образуется I (газ) который вызывает |
|
коррозионное растрескивание оболочек |
|
твэла. |
|
Образуются Cs2UO4, Cs2MoO4, Cs2Te. |
52 |
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
Миграция и перераспределение продуктов деления в оксидном топливе
На примере топлива БН с перестройкой структуры. Легколетучие ПД концентрируются в зазоре топливо-оболочка. (Cs, I, Te). Металлическая фаза (сплав: Mo с Ru, Rh, Pd, Tc) располагается по границе
зерен в зоне столбчатых кристаллов.
Оксидные фазы (Ba,Sr)ZrO3 располагаются по границам равноосных зерен В холодной хрупкой области исходной структуры, ПД присутствуют в атомарном состоянии и не образуют самостоятельных фаз.
Изменение кислородного потенциала топлива при выгорании
(на примере MOX-топлива)
Влияние выгорания на кислородный потенциал, степень окисления молибдена и валентность плутония в МОХ-топливе состава (U0,85,Pu0,15)О1,96
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
53 |
Распухание оксидного ЯТ
«Твердое» распухание |
Газовое распухание |
Растворение ПД в кристаллической решетке |
Образование и рост |
оксидного топлива, образование |
газовых пузырьков. |
самостоятельных фаз с меньшей плотностью. |
Основной вклад в |
Малый вклад в изменение объема. |
изменение объема! |
Твердое распухание
Зависит от глубины выгорания топлива и начальной плотности топлива, т.е. наличия пористости, т.к. пористость выступает буфером для изменения объема.
|
|
Если общее изменение объема на 1% |
|
|
выгорания составляет 1,2 -1,5%, то |
|
|
на долю твердого распухания |
|
|
приходится 0,3-0,4% на 1 % |
1 – Пористость = 0; 2 - 0,04; 3 |
– 0,12 |
выгорания |
|
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
54 |
Газовое распухание оксидного ЯТ
Необходимые условия для газового распухания:
1.Накопление ГПД (выгорание).
2.Миграция ГПД (возможна при высоких температурах).
При миграции ПД встречают вакансии, образованные выбитыми из решетки атомами, и образуют зародыши газообразных пузырьков. По мере миграции пузырьки увеличиваются и в них возрастает давление, что приводит к увеличению механической нагрузки на топливо.
Механизмы миграции ГПД:
1.Как ядра отдачи (осколки деления). Длина миграции до 10 мкм.
2.В концентрационном поле за счет диффузии.
3.Вместе с протяженными дефектами кристаллической решетки (дислокациями).
4.В поле градиента температур.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
55 |
Газовое распухание оксидного ЯТ
Образуются газовые пузырьки двух типов.
Видны межзеренные пузырьки (МЗП) по границам – G (неправильной формы, дают основной больший в распухание) и
внутризереннные пузырьки (ВЗП) расположенные в теле зерна – I (мелкие,
круглые, находятся в равновесии с матрицей)
Схема структур (а) и распределение пористости (б) по радиусу сердечника твэла (цифры на рисунке означают размер равноосных зерен)
Поверхность излома облученного оксидного топливного сердечника.
Распухание обусловлено:
Образованием МЗП Радиационной ползучестью периферии топлива
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
56 |
Факторы, влияющие на распухание оксидного ЯТ
1.Наличие пористости уменьшает распухание ЯТ
2.Выгорание ЯТ, чем больше выгорание, тем больше распухание. Между выгоранием и распуханием существует линейная зависимость.
3.Температура. Чем выше Т, тем больше распухание. Т зависит от линейной мощности твэла.
4.Величина нестехиометрии, чем больше отклонение от стехиометрии, тем выше диффузионная подвижность атомов ГПД, тем сильнее распухание.
Распухание оксидного ЯТ составляет 1,5 – 2 % на 1% выгорания тяжелых атомов.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
57 |
Выход ГПД из оксидного ЯТ под оболочку твэла
Выделение ГПД под оболочку твэла играет отрицательную роль, т.к. Xe и Kr имеют низкую теплопроводность и повышают термическое сопротивление зазора топливо-оболочка, что приводит к повышению рабочих температур топлива и ускорению негативных процессов в твэлах.
На выделение ГПД влияют:
1. Величина пористости таблеток топливного столба, чем она выше, тем больше выходГПД. 2.Температура, чем выше Т, тем выше выход ГПД.
1300К – 0.5% ГПД от всех ГПД
1300-1600 К – 10%
1600-1900 – 60% >1900К – 95%
3. |
Размеры зерен, чем больше зерно, тем выше ГПД. |
|
На данный момент размер зерна 20-30 мкм. |
|
|
4. |
Глубина выгорания топлива, чем больше, тем |
|
больше выход ГПД |
|
|
5. |
Скорость делений, чем больше, тем меньше выход |
|
ГПД |
|
|
6. |
Линейная мощность твэлов |
58 |
|
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
|
Бескислородное керамическое ЯТ
Карбиды и нитриды урана.
Недостатки UO2:
Низкая теплопроводность => тонкие твэлы Низкая плотность топлива => больше АЗ и малый КВ.
Достоинства бескислородного топлива:
Высокая теплопроводность, до 10 раз выше, чем у UO2. Высокая плотность бескислородного ЯТ => выше КВ у БР
Недостатки бескислородного топлива:
Сложная технология получения При использовании карбидного топлива происходит
науглероживание оболочки твэла => снижение пластичности. Нитридное топливо при Т> 1700 °С дисcоциирует с образованием металлического урана
14N высокое сечение захвата тепловых нейтронов - 1,88 барн.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
59 |
Карбидное ЯТ
В системе уран–углерод существуют три карбидные фазы
UC, U2C3 и UC2
Карбидн |
Тип |
Парамет |
Плотнос |
|
ры |
||||
ая |
||||
решетки |
решетки, |
ть, г/см3 |
||
фаза |
||||
|
пм |
|
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
UC |
ГЦК, тип |
а = 496,0 |
13,63 |
|
1± x |
NaCl |
|
|
|
U2C3 |
ОЦК |
a = |
12,90 |
|
808,89 |
||||
-UC2 |
Тетрагон |
a = 351,3 |
|
|
альная, |
c = 598,7 |
11,68 |
||
|
тип CaC2 |
|
|
|
-UC2 |
ГЦК, |
a = 547,0 |
11,67 |
|
тип KCl |
В системе Pu–C существуют четыре карбидные фазы: Pu3C2, PuC, Pu2C3
и PuC2
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
60 |