Тенишев лекции (незащищенный фаил) KiFM_2014

Дисперсное ядерное топливо. Твэлы и ТВС

Технические характеристики и условия эксплуатации ТВС ИВВ-10

Дисперсное ядерное топливо

Особенности:

Высокая концентрация делящихся нуклидов.

Высокая цена. (Концентрация U235 до 90 % => высокая стоимость дисперсного ЯТ)

Чрезвычайно высокая радиационная стабильность ЯТ и глубина выгорания до 30-40 %.

Сложная технология изготовления.

ДЯТ используют:

Исследовательские реакторы, т.к. необходимы мощные нейтронные потоки. Транспортные реакторы, т.к. высокая надежность (радиационная стабильность, сопротивление распуханию)

Впроцессе выгорания с поверхности топливных частиц летят ядра отдачи, которые попадают в КМ и вокруг топливной частицы образуется зона радиационного повреждения. Ширина этой зоны ~10 мкм. Это зоны с

измененными свойствами. Они содержат осколки деления вылетающие с приповерхностного слоя топлива.

Образование пузырьков ГПД затруднено, т.к. топливо разделено прослойками неповрежденного КМ.

Дисперсное ядерное топливо. СМ-3

Реактор СМ-3 (сверхмощный). Топливная микрокампания всего 2 недели.

Активная зона реактора размером 420×420×350 мм с центральной нейтронной ловушкой и отражателем из металлического бериллия высотой 500 мм размещены в стальном корпусе диаметром 1,46 м и высотой 7,33 м и состоит из 28 топливных сборок. Активная зона имеет высокую концентрацию 235U и относительно небольшую концентрацию ядер замедлителя, в качестве которого используется легкая вода.

Дисперсное ядерное топливо. СМ-3

Высокопоточная ловушка формируется бериллиевыми вкладышами сложной формы, установленными в четыре центральные ячейки. Вкладыши образуют в центре активной зоны цилиндрическую полость ø105 мм

Вловушке достигается максимальная плотность потока тепловых нейтронов – до 5·1019 м-2с-1, а в твэлах на границе активной зоны и ловушки – максимальное энерговыделение. В отражателе плотность потока тепловых нейтронов меньше, чем в ловушке, но также достаточно высока, до

1,35·1019м-2с-1.

Вкачестве замедлителя нейтронов в ловушке реактора СМ используется легкая вода или бериллий.

Высокое удельное энерговыделение в активной зоне (в среднем 2·109 Вт/м3) при сугубо неравномерном его распределении (объемный коэффициент неравномерности достигает 6,0);

Требования к дисперсному ЯТ

1. Размеры частиц делящейся фазы должны быть >> 2 λF (λF – длина пробега осколка делания в топливе).

2.Топливные частицы должны быть равномерно распределены в матрице, чтобы избежать перекрытия зон радиационного повреждения.

3.Предпочтительна сферическая форма топливных частиц, т.к. обеспечивает минимальный выход ОД с поверхности .

4.Топливные частицы должны иметь остаточную пористость, для снижения распухания.

5.Достаточная прочность, чтоб не происходило разрушение при технологических операциях.

6.Расстояние между частицами >> 2 λM.

7.Одинаковые размеры частиц.

8.Объем делящейся фазы такой, чтобы не происходило перекрывания зон радиационного повреждения: 20 – 40 об. %. Чем меньше диаметр, тем меньше объемная доля.

Требования к дисперсному ЯТ

Требования к топливным частицам

1.Высокая радиационная стабильность.

2.Компоненты не должны иметь высокий паразитный захват нейтронов.

3.Высокая ураноемкость (плотность). Это позволяет при той же объемной доле загружать больше делящегося изотопа.

4.Остаточная пористость.

5.Хорошая совместимость с материалом матрицы (в рабочем интервале температур)

Требования к материалу матрицы

1.Высокая радиационная стабильность (Al, Mg).

2.Минимальное сечение захвата нейтронов (Al, Zr, Mg).

3.Хорошая совместимость с топливом.

4.Высокая коррозионная стойкость в теплоносителе.

5.Хорошая теплопроводность.

6.Хорошая пластичность, прочность, технологичность.

Виды дисперсного ЯТ

Mg-(U-9% Mo) (Обнинская, Белоярская, Билибинская станции) Между Mg и U нет физико-химического взаимодействия до температур плавления.

U-Mo – повышенная радиационная стойкость. Al – UO2 (ИРТ НИЯУ МИФИ)

Al – UAlx (x = 2, 3, 4) (интерметаллид)

UAl2, UAl3 – в результате физико-химического взаимодействия они переходят в UAl4. Это плохо, т.к. у UAl3 плотность выше. Если в UAl3 ввести 3% Sn (олово) или Zr устойчивость увеличивается.

UAl4 – совместим с Al до Тпл.

Коррозионно-стойкая сталь – UO2 (Траб = 380-440 °С), тогда как композиции с Al могут работать только при Т ≤ 100 °С

UC2 – графит. Графит полностью совместим с UC2 до Тпл. Используют в ВТГР

Zr-(Zr-(20-40)% U)

Чем ниже рабочая температура, тем большую глубину выгорания топлива можно получить!

Дисперсное ЯТ на основе микротвэлов

Топливо в виде мелких сфер диаметром несколько сотен микрометров на которые наносят покрытия, обеспечивающие работоспособность и предотвращающие выход ПД в теплоноситель.

Это топливо для ВТГР (США, Англия, Германия, Россия, Китай)

Типы твэлов для ВТГР

Американская концепция HTGR (призматические блоки)

Активная зона набирается из призматических блоков. Требуется остановка для перегрузки.

Более высокие температуры теплоносителя.