Радиационное формоизменение урана при облучении

Существенным недостатком металлического U является то, что в чистом виде, как топливо, для ядерных реакторов он неприменим. При облучении в активной зоне реактора образец металлического U быстро теряет свои коррозионные, механические (прочностные) свойства, изменяются его форма, размеры и даже целостность.

Причины:

1. Твердое распухание: происходит вследствие того, что в процессе деления одного ядра (атома) образуется более 2-х атомов (осколков деления). Но т.к. размеры атомов в природе примерно одинаковы, то процесс сопровождается увеличением объема вещества (топлива). Наблюдается при низких температурах. Таким образом твердое распухание U обусловлено простым накоплением осколков.

В первом приближении изменение плотности топлива, ∆ρ, при ТР является линейной функцией выгорания, В:

∆ρ% = 15В [B = г/см³]

2. Термоциклирование: циклическая термообработка. Означает периодический разогрев и охлаждение. Является наиболее типичным процессом, которому подвержено ядерное топливо (ТВЭЛ). Чем больше число циклов разогрева/охлаждения выдерживает топливо, тем выше маневренность атомного энергоблока. Наиболее резкие формы изменения: образование складок и трещин наблюдаются при циклических переходах U через точки аллотропических превращений () Изменение объема примерно 2-5 %.

3. Газовое распухание (свеллинг): наблюдается при tº = 350-500ºС и сопровождается значительным увеличением объема материала. (Газовые атомы накапливаются в порах). Центральную роль здесь играют газовые осколки деления Kr, Xe (благородные реактивные газы). Газовое распухание наиболее опасное с точки зрения радиационной стойкости. Количественно распухание U при облучении характеризуется параметром распухания S.

, где - увеличение объема, – выгорание

4. Радиационный рост: изменение формы размеров образца из чистого металлического U при облучении в ЯР. Это явление наблюдается при tº < 400ºC, наибольшие показатели при tº = 200ºC

Необходимо выбирать такие способы обработки (производства) ТВЭл из U, которые избегают текстурирования, способствуют измельчению зерен и их произвольной ориентации

5. Радиационная ползучесть: изменение форморазмеров образца под действием облучения. Количественно ползучесть описывается ее пределом (предел ползучести), численно равным напряжению, вызывающему заданную величину деформации при данной температуре за определенное время работы – σ. Термическая ползучесть возникает при повышенных температурах, когда происходят изменения в структуре металлов. (0,3-0,4T плавления). При высоких температурах облегчается скольжение дислокаций вследствие интенсификации процессов диффузии. Кривая ползучести – индивидуальная характеристика материала. I – неустановившаяся ползучесть, II – установившаяся ползучесть, III – ускоренная ползучесть.