Тенишев лекции (незащищенный фаил) KiFM_2014
.pdf
Производство карбидного ЯТ
1800 C
UO2 C UC O2
1800 C
UO2 3C UC2 CO2
2U (метал.) 3Н |
180 200 С |
470 500 C |
|
2 2UH3 |
U (порошок) 3Н 2 |
300 600 С
U (порошок) СН 4 UC 2H2
Получение сложно. Порошок UС прессуют и спекают аналогично таблеткам оксидного топлива, но при более высоких температурах Т = 1800 – 2000 °С Диаметр таблеток UC больше, чем UO2 т.к. теплопроводность карбида урана выше.
Для БР представляют интерес смешанные карбиды U и Pu: (U,Pu)C, (U,Pu)C2 Практический интерес представляет PuC: ГЦК-решетка и Тразложения = 1650 °С
UC, PuC – имеют более высокое содержание U в единице объема, чем у UC2 и PuC2 и рассматриваются как перспективное топливо.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
61 |
Свойства карбидного ЯТ
Теплопроводность UC
Если T оболочки твэла 700˚С, |
|||
Теплопроводность (UyPu1-y)C |
то при использовании |
|
|
гелиевого подслоя Tцентра |
|
||
1400˚С, если натриевый |
|
||
|
подслой то 1000˚С. |
|
|
Топливный столб из МОХ- |
|
||
топлива начинает плавиться |
|
||
при линейной мощности |
|
||
ql |
= 650 |
Вт/см, а в случае |
|
карбидного топлива при |
|
||
|
ql = 1300 Вт/см |
62 |
|
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
|
||
Свойства карбидного ЯТ
Механические свойства.
Имеют более высокую твердость и прочность, чем оксиды, что ухудшает механическую совместимость топлива с оболочкой, когда вследствие распухания топливо вступает в контакт с оболочкой. Могут способствовать разрушению оболочки
Поведение карбидного ЯТ под облучением
Изменение структуры.
Из-за высокой λ радиальные градиенты температур ниже, чем в оксидном топливе. Поэтому существенной перестройки, как в оксидном ЯТ, не происходит. В центре образуется пористость, по краям зерен образуются поры и наблюдается увеличение размеров зерен.
Распухание.
∆V/V на 1% выгорания |
0,5% |
1,0% |
2-3% |
|
|
|
|
Т, ºС |
900-1000 |
1100-1200 |
1300-1400 |
|
|
|
|
Выделение ГПД при выгорании карбидного топлива.
Карбидное топливо лучше удерживает ПД, чем оксидное. При выгорании 10% т.а. выход ГПД ~ 20%, что существенно ниже, чем у оксидного. Это положительный фактор при использовании карбидного топлива.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
63 |
Давление азота
а– 10 Па; б – 0.1 МПа;
в– 0.5 МПа
Нитридное ЯТ
Существует единственный реактор, работавший на нитридном топливе - БР – 10.
Использование в только в БН т.к. азот имеет высокое сечение захвата тепловых нейтронов - 1,88 барн.
Существуют соединения: UN, U2N3, UN2, PuN. Интерес представляют только UN т.к. имеет высокую термохимическую стабильность, но при T > 1800˚ С начинает диссоциировать.
С точки зрения реакторов на быстрых нейтронах интерес представляют смешанные нитриды (U,Pu)N
|
|
Параметр |
Температура |
|
|
Фаза |
Тип решётки |
решётки, |
плавления/термического |
|
|
|
|
пм |
разложения, K |
|
|
UN |
NaCl |
488,9 |
3120 (плавл. при 2.5 атм. N2) |
|
|
|
|
|
3103 (терм. разл. при 1 атм. N2) |
|
|
α-U2N3+x |
Mn2O3 |
1068,4 |
|
|
|
(UN1,54-1,75) |
1623(терм. разл. при 1 атм. N2) |
|
|
||
|
|
|
|
||
β-U2N3-x |
La2O3 |
369,6 |
|
|
|
|
|
|
|||
(UN1,45-1,49) |
гексагональная |
с/a=1,58 |
|
|
|
UN2 |
CaF2 |
521 |
- |
|
|
PuN |
NaCl |
490,49 |
2843(терм. разл. при 1 атм. N2) |
|
|
U0,8Pu0,2N |
- |
489,1 |
3053(терм. разл. при 1 атм. N2) |
|
64 |
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
|
||||
Производство нитридного ЯТ
Схема карботермического метода |
Схема метода получения |
|
мононитридов металлов |
||
|
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
65 |
Свойства нитридного ЯТ
|
2,0x10-2 |
|
|
|
|
|
130 |
|
|
|
|
|
|
120 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,6x10-2 |
|
|
|
|
К |
110 |
|
|
|
|
|
|
моль |
100 |
0 |
1,2x10-2 |
|
|
|
|
90 |
|
L/L |
|
|
|
|
|
/ |
|
8,0x10-3 |
|
|
UN |
|
, Дж |
80 |
|
|
|
|
70 |
||||
|
|
|
|
p |
|||
|
|
|
|
U0.8Pu0.2N |
C |
60 |
|
|
-3 |
|
|
|
|||
|
4,0x10 |
|
|
U0.5Pu0.5N |
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
0,0 |
1000 |
1500 |
2000 |
2500 |
|
40 |
|
500 |
|
400 |
||||
|
|
Температура, К |
|
|
|
||
|
32 |
|
|
|
|
|
20 |
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вт/мК |
|
Вт/мК |
|
|
|
|
|
|
|
|
18 |
|
28 |
|
UN |
|
|
|
|
|
|
|
|
26 |
|
|
|
|
|
|
Теплопроводность, |
16 |
||
Теплопроводность, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
24 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
18 |
|
|
|
|
|
Эксперимент |
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
16 |
|
|
|
|
|
Hayes |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ross |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
600 |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
1200 |
1400 |
1600 |
1800 |
|
|
Температура, К
UN, Oetting et al.
UN, Tagawa
UN, Hayes et al.
U0.8Pu0.2N, Alexander et al.
PuN, Blank
UN
U0.8Pu0.2N
PuN
800 |
1200 |
1600 |
2000 |
2400 |
2800 |
Температура ,К
93.4%ТП, 0.3 вес% |
U |
Pu N |
|||||||||||||
91.2%ТП, 0.6 вес% |
0.8 |
0.2 |
|||||||||||||
88.0%ТП, 1.0 вес% |
|
|
|
|
|||||||||||
84.4%ТП, 1.5 вес% |
|
|
|
|
|||||||||||
81.6%ТП, 2.0 вес% |
|
|
|
|
|||||||||||
МНК аТb |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
800 |
1000 |
1200 |
1400 |
1600 |
Температура, К
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
66 |
Влияние облучения на нитридное ЯТ
Перестройка структуры
Незначительная: в центре – радиально вытянутые столбчатые зерна, в центре, а на периферии крупные равноосные. На периферии больше трещин.
Распухание
Распухание при Тцентра < 1300 ºС составляет 1,6% на 1% выгорания т.а., т.е. существенно меньше, чем у других видов топлива. При Тц >1300˚С
распухание возрастает до 3-5% на 1% выгорания т.а.
Выделение ГПД.
Лучше удерживает ГПД, чем карбиды и оксиды. При выгорании 10% - выделяется 15-18% всех ГПД.
Радиационная ползучесть.
Ниже, чем у оксидного топлива и сравнима с ползучестью карбидного топлива.
Природный азот более чем на 90% состоит из 14N
При облучении 14N идут (n,p) и (n,α) реакции образуется гелий и водород. Т.о. увеличивается суммарная концентрация газа в ЯТ => увеличивается распухание.
Если заменить 14 N на 15N, то этих реакций не будет и сечений поглощения тепловых нейтронов значительно снизится, но с точки зрения экономики это не выгодно.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
67 |
Дисперсное ядерное топливо
Вид ядерного топлива, в котором делящийся материал в виде мелких частиц из сплавов, интерметаллидов или соединений урана и плутония распределен по объему неделящейся матрицы из конструкционного материала, получил название дисперсного ядерного топлива (ДЯТ)
|
Конструкционный |
Делящаяся фаза в |
материал или |
виде |
матрица |
топливных частиц, |
(Al, Zr, корр.- |
распределенных в |
стойкая сталь, |
матрице (UO , |
ZrO2, Mo и т.д.) |
2 |
Зона |
U-Mo, UAlх и т.д.) |
|
|
радиационного |
|
повреждения |
|
матрицы (ЗРП) |
Высокая плотность потока нейтронов (>1014 нейтр./см2·с) Весьма большие удельные объемные мощности энерговыделения, доходящие до 1500–1700 кВт/л активной зоны.
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
68 |
Дисперсное ядерное топливо. Твэлы и ТВС
Технические данные и условия эксплуатации ТВС ВВР-М5 (модификация с длиной топливного сердечника 600 мм)
Количество твэлов в ТВС, шт. |
5 |
|
|
Тип твэла |
трехслойный, дисперсионный |
|
|
Толщина стенки твэла, мм |
1,3 |
|
|
Обогащение топлива по U235, % |
36 |
Масса U235, г |
65 |
Содержание U235 в единице объема активной зоны, г/л |
122,6 |
Поверхность теплосъема в единице объема активной |
6,56 |
зоны, см2/см3 |
|
Материал оболочек твэлов и концевых деталей |
алюминиевый сплав |
|
|
Топливо |
металлокерамика |
|
|
Масса, кг |
0,9 |
|
|
Теплоноситель |
вода обессоленная |
|
|
Температура теплоносителя, °C |
50-65 |
|
|
Температура оболочки твэла, °C |
до 110 (кипение на |
|
поверхности твэлов не |
|
допускается) |
Средняя глубина выгорания U235 в выгружаемой ТВС, % |
не менее 40 |
|
|
Шлиф поперечного сечения ТВС ВВР-М5
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
69 |
Дисперсное ядерное топливо. Твэлы и ТВС
Технические характеристики и условия эксплуатации ТВС ИРТ-3М
Количество твэлов в ТВС, шт. |
8 |
|
||
(6; 4) |
|
|||
|
|
|||
Тип твэла |
трехслойный, дисперсионный |
|||
|
|
|
|
|
Толщина стенки твэла, мм |
1,4 |
|
||
|
|
|
|
|
Толщина стенки твэла, мм |
36 |
|
20 |
|
|
|
|
|
|
Масса U235, г |
352 |
|
400 |
|
|
(309;235) |
|
(352;267) |
|
Содержание U235 в единице объема активной зоны, г/л |
119,0 |
|
135,2 |
|
|
(104,5;79,5) |
|
(119,0;90,3) |
|
Поверхность теплосъема в единице объема активной зоны, |
5,25 |
|
||
см2/см3 |
(4,62 ; 3,50) |
|||
Материал оболочек твэлов и концевых деталей |
алюминиевый сплав |
|||
|
|
|
||
Топливо |
металлокерам |
|
U-Mo сплав |
|
ика |
|
|||
|
|
|
||
Масса, кг |
4,3(3,7;2,9) |
|
4,8(4,2;3,4) |
|
|
|
|
||
Теплоноситель |
Вода |
обессоленная |
||
|
|
|
||
Температура теплоносителя, °C |
40-60 |
|
||
|
|
|||
Температура оболочки твэла, °C |
до 100 (кипение на поверхности |
|||
твэлов не допускается) |
||||
|
||||
Средняя глубина выгорания U235 в выгружаемой ТВС, % |
не менее 40 |
|||
Шлиф поперечного сечения ТВС ИРТ-3М
Тенишев А.В. «Конструкционные и функциональные материалы» для групп Ф8-04 и 05, г. Москва, 2013 |
70 |