Тенишев лекции (незащищенный фаил) KiFM_2014

Дисперсное ЯТ на основе микротвэлов

Виды микротвэлов

Топливная микросфера (МС)

Слой PyC1

«Буферный» слой пироуглерода плотностью ~ 50 % от ρтеор = 2,27 г/см3

 Слой PyC2

Плотный пироуглерод. ρ = 1,85-1,95 г/см3

Слой SiC3 Карбид кремния

Слой PyC4

Плотный пироуглерод. ρ = 1,85-1,95 г/см3

Микротвэл с ПИУК (TRISO) покрытием

Микротвэлы с ПИУ (BISO) покрытием содержит только два слоя (PyC1 и PyС2) и используются при более низких рабочих температурах.

Микротвэлы. Назначение слоев покрытий

Слой PyC1

- низкая плотность и аморфная структура, которая практически не повреждается осколками деления;

-воспринимает без передачи последующим слоям покрытия объемные изменения МС, обусловленные ее термическим расширением и распуханием;

-защищает вышележащий слой PyC2 от воздействия осколков деления;

-в порах буферного слоя происходит накопление вышедших из МС ПД, что уменьшает давление в МТ, снижая тем самым напряжения в его слоях.

Слой РуС2

-изотропный с высокой плотностью;

-практически непроницаем для ГПД, а также ряда твердых ПД (Nb, Zr, Ru, а в случае оксидных МС – Се и Y);

-под облучением слой РуС2 имеет тенденцию к сжатию;

-не является надежным барьером для таких твердых ПД, как 90Sr, 110Ag, 140Ba, 144Cs.

Слой SiC3

-проницаемость твердыми ПД при 1100÷1300 °C в 100÷1000 раз меньше чем слоя РуС2;

-придает МТ более высокую прочность, ограничивает развитие трещин, образующихся в прилегающих к нему слоях РуС; снижает загрязнение тяжелыми металлами покрытия и матричного графита при

высокотемпературных технологических операциях.

Слой РуС4

-предохраняет слой SiC от механических и химических повреждений (слой SiC обладает высокой твердостью, очень хрупок и легко растрескивается при возникновении в нем растягивающих напряжений);

-повышает прочностные характеристики SiC в процессе облучения (препятствует развитию в нем

Микротвэлы. Толщина слоев покрытий

Микротвэл – сосуд высокого давления (до несколько десятков МПа).

Толщины слоев должны быть строго определенными в соответствии с напряженно деформированным состоянием на конец топливной компании, которое можно определить только расчетным путем!

Чем больше диаметр топливной микросферы тем больше должна быть толщина слоев покрытий.

Толщина слоя РуС1 должна обеспечивать полное торможение осколков деления в нем.

Толщины остальных слоев рассчитываются на основе прочностных моделей исходя из давления в микротвэле.

Необходимо стремиться к минимальной толщине для размещения максимального количества топлива в АЗ.

Топливные микросферы

Получение - золь-гель процесс

3U3O8 +20HNO3(ж) → 9UO2(NO3)2(ж) + 10H2O + 2NO(г) 2UO2(NO3)2(ж) + 3NH4OH → (NH4)2U2O7(тв) + 2NH4NO3(ж) + H2O

2UO2(NO3)2(ж) + NH4OH(ж) → 2UO2(NO3)1.5(OH)0.5(ж) + NH4NO3(ж) 2UO2(NO3)1.5(OH)0.5(ж) + NH4OH → (NH4)2U2O7(тв) + NH4NO3(ж) + H2O

Внешнее гелеобразование

МС после затвердевания (a) и сушки (b)

Требования к топливным МС

1. Высокая степень сферичности (от этого зависят эксплуатационные характеристики в целом).

2. Остаточная пористость для уменьшения распухания (обеспечение свободного объема для осколков деления).

3. МС должны иметь высокую прочность, так как твэлы получают методом прессования.

4.Наиболее высокая плотность по делящимся нуклидам.

5.Совместимость с графитом.

Вмикротвэлах в качестве МС используются: UC2, UO2, UC. Планируется организовать уран-ториевый топливный цикл.

Пироуглеродные покрытия

Различают три типа компонентов микроструктуры:

1.Слоистый компонент (б) (турбостратная структура).

2.Мозаичный компонент (в) (турбостратная структура).

3.Волокнистый сажеподобный компонент (г) (аморфная структура).

Квазиизотропный пироуглерод.

Кристаллические компоненты (1 и 2) связанные аморфными прослойками (3).

Низкотемпературный изотропный (НТИ)

состоит из волокнистой и мозаичной компоненты (2 и 3)

Высокотемпературный изотропный (ВТИ)

состоит из слоистой и волокнистой компоненты (1 и 3) НТИ наносится при Т = 1200-1400˚С

ВТИ при Т= 1800-2000˚С

НТИ обладает более высокой радиационной стабильностью, но хуже удерживает ПД, чем ВТИ покрытие.

НТИ используют в ПИУК-покрытиях, а ВТИ в ПИУ.

Влияние облучения на покрытия МТ

1. При облучении покрытий из пироуглерода происходит увеличение размера «с» - межслоевого расстояния, а

расстояние в одном слое «а» - уменьшается.

2. Происходит графитизация волокнистой составляющей – переход из аморфного состояния в кристаллическое. Изменяются размеры, объем и плотность покрытий. Если начальная плотность 1,85 – 1,95 г/см3 то изменения минимальны.

3.Увеличивается степень анизотропии покрытий, что приводит

кувеличению внутренних напряжений между кристаллитами пироуглерода и возможности растрескивания покрытий.

4.Слой SiC3 мало подвержен влиянию облучения и

практически не меняется при выгорании топлива.

Утечка ПД из МТ

Причины утечки:

1. Образование трещин в покрытии МТ при технологических операциях.

2. Образование микротрещин в покрытии МТ при облучении, вследствие анизотропии радиационного роста кристаллов пироуглерода.

3. Загрязнение покрытий топливными материалами при высокотемпературном нанесении. Так как при высоких температурах, уран диффундирует в покрытие.

Утечке в основном подвержены следующие ПД: Cs , Ba, Sr, Ag