Возможные виды дисперсионного топлива и его применение в ядерной энергетике

Соединения U, Pu, Th, имеющие высокую температуру плавления, значительную плотностью горючего материала, стойкость в условиях облучения, обычно объединяют в одну группу- керамическое ядерное горючее.

1 группа: керамика на основе окислов UO₂, ThO₂, PuO₂

2 группа: неокисные керамические материалы: карбиды, нитриды, фосфиды сульфаты

3 группа – дисперсионное ядерное горючее

В дисперсном ядерном горючем топливная фаза дисперсно распределена в неактивной матрице. Каждую частицу ядерного горючего можно рассматривать как микроэлемент, в котором роль оболочки выполняет матрица. В качестве дисперсионного горючего могут быть использованы керамические материалы, высокая температура плавления и стойкость при облучении которых сочетаются с прочностью, пластичностью и высокой теплопроводностью матрицы. В качестве матрицы используют Al, Be, Mg, Zr, Nb, W, нержавеющую сталь. В качестве дисперсной топливной фазы служат различные соединения урана, интерметаллиды его с алюминием, бериллием, окислы, карбиды, нитриды урана и других делящихся материалов.

Дисперсионное ядерное горючее должно быть совместимым с материалом матрицы в процессе изготовления и в рабочих условиях, иметь достаточную прочностью, равномерно распределять в матрице. Материал матрицы должен обладать высокой прочностью и пластичностью, чтобы противостоять распуханию диспергированных частиц горючего при накоплении в них твердых продуктов деления и сдерживать давление газообразных продуктов деления без разрушения, хорошей теплопроводностью, не иметь структурных превращений во всем диапазоне рабочих температур, быть коррозионностойким к теплоносителю и совместимым с материалом оболочки твела

Примером может служить дисперсная система с 30% UO₂ в матрице из аустенитной нержавеющей стали обладающей высокой радиационной стойкостью. Также применяется U₃O₈ в ТВЭЛах дисперсионного типа, например в смеси с Al. Хорошо зарекомендовала себя система, состоящая из интерметаллидов урана и алюминия в матрице из алюминиевого сплава или порошка алюминия.

50. Защитные материалы на основе бора.

В качестве защитных материалов используются композиционные материалы на основ бора. Наиболее часто применяют карбид бора B₄C. Это тугоплавкий материал с плотностью ρ_теор=2.51г/см³, ρ_прак=2.4 г/см³. Очень хрупок, но обладает высокой термостойкостью. В случае разрушения оболочки B₄C медленно взаимодействует с водой. Искажения кристаллической решетки в результате нейтронного облучения отжигаются при T=973÷1073 К. Нарушение кристаллической решетки происходит также из-за внедрения в нее атомов гелия, которые образуются в результате реакции:

B¹⁰ + n¹₀ à Li + He

Скопление гелия в порах при высокой температуре приводит к локальному увеличению давления в газовой полости, возникновению местных напряжений и трещин. Другим продуктом рассматриваемой ядерной реакции является литий. Литий ухудшает коррозийные свойства B₄C, так как он активен и взаимодействует с водой.

При введении в легированную сталь бора количество его не должно превышать 3%. При более высоком содержании бора стали становятся крайне хрупкими и плохо обрабатываются. Легирование бором снижает пластичность титане и циркония, облучение усиливает этот эффект.

Наряду со сплавами для изготовления регулирующих стержней широко используют дисперсионные материалы - к ним относятся бораль – карбид бора, диспергированный в алюминий.

51. Кристаллическое строение твердых тел

Все металлы представляют собой кристаллические вещества.

Твердое состояние вещества характеризуется тем, что расстояние между частицами имеет величину порядка их размера, а сами частицы совершают колебательные движения относительно положения равновесия.

Кристалл – твердое тело, состоящее из упорядоченных периодически повторяющихся в пространстве частиц. Обычно они образуются и растут из растворов и расплавов.

Кристаллическая решетка – присущее веществу в кристаллическом состоянии правильное расположение атомов, характеризующееся периодической повторяемостью в 3х измерениях.

Аморфное тело – вещество, не имеющее кристаллической решетки.

Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Основные параметры:

1) размеры ребер элементарной ячейки (a,b,c) – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов;

2) углы между осями (α,β,γ);

3) координационное число – число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке;

4) базис решетки – количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку;

5) плотность упаковки – отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (реальному объему).

Типы кристаллических решеток:

1) примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами кристаллической решетки;

2) базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

3) объемоцентрированная (ОЦК);

4) гранецентрированная (ГЦК).

По форме: 1 ) триклинная (a ≠ b ≠ c, α ≠ β ≠ γ, тип 1); 2)моноклинная (a ≠ b ≠ c, α = β = 90°, γ < 90°, тип 1, 2);

3) ромбическая (a ≠ b ≠ c, α = β = γ = 90°, тип 1, 2, 3, 4);

4) ромбоэдрическая (a = b = c, α = β = γ ≠ 90°, тип 1);

5) гексогональная (a = b ≠ c, α = β = 90°, γ = 120°, тип 2);

6) тетрагональная (a = b ≠ c, α = β = γ = 90°, тип 1, 3);

7) кубическая (a = b = c, α = β = γ = 90°, тип 1, 3, 4).

Основные типы:

1) ОЦК – атомы расположены в вершинах куба и его центре; 2) ГЦК – атомы расположены в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней; 3) гексогональная: в основе 6-угольник: a. простая – в вершинах ячейки и по центру двух оснований b. плотноупакованная (ГПУ) – имеются в средней плоскости три дополнительных атома.

52. Свойства металлического U и его терморадиационная стойкость

Природный Me U – смесь изотопов: U²³⁹ – 99,282 %; U²³⁵ – 0,712 %; U²³⁴ – 0,006 %.

Структура Me U имеет три модификации: α,β,γ. ρ = 18,7-19,6 г/см³, t°плавления = 1130 ° C.

U α – t°плавления = 663 ° C, орторомбическая структура.

U β – t°плавления = 663-775 ° C, тетрагональная решетка.

U γ – t°плавления = 775-1130 ° C, ОЦК.

Теплофизические свойства U определяются его кристаллической структурой. Механические свойства образца почти целиком определяются способом приготовления, они сильно зависят от чистоты материала (этим пользуются при создании сплавов) и от способа изготовления деталей. Механические свойства очень чувствительны к примесям.

В интервале температур от 373 до 77 К пластичность U резко падает с уменьшением температуры. Одновременно понижается предел прочности, уран из пластичного становится хрупким. Температура перехода зависит от содержания примесей, размеров зерна и т.п. Пластичность U при комнатной температуре может быть повышена отжигом в вакууме. Наилучшие результаты дает отжиг в течение одних суток при 623-673 К. С ростом температуры прочность урана снижается, а пластичность растет. В случае больших зерен пластичность и предел прочности меньше. С увеличением температуры выше порога кристаллизации (643-703 К) скорость ползучести U резко возрастает.

В условиях циклического изменения температуры скорость ползучести возрастает (из-за внутренних напряжений, возникающих из-за анизотропии термического расширения α-урана при изменении температуры). Внутренние напряжения возрастают до предела текучести и вызывают пластическую деформацию зерен.

Термические циклы вызывают изменение размера изделий из U. Наибольшая скорость роста (увеличения длины изделий) урана отмечена при максимальной разнице температур термического цикла (причем наибольшее влияние оказывает верхнее значение температуры), низкой скорости нагрева и высокой скорости охлаждения. В процессе изменения температуры в тепловом цикле происходит некоторое распухание изделий из поликристаллического U (т.е. уменьшения плотности), возникает шероховатость поверхности – «жеванность» и даже происходит растрескивание.

Рост урана при термических циклах связывается с тем, что в двух смежных различно ориентированных зернах, имеющих вследствие этого в определенном направлении различные коэффициенты теплового расширения, при нагревании возникают внутренние напряжения. В случае перехода через точки фазовых превращений рост U связывают с различием плотности и прочности кристаллических модификаций U.

Под действием облучения происходит изменение формы и размеров изделий из U. При температуре ниже 673 К эти явления обусловлены радиационным ростом U. В мелкозернистом поликристаллическом U при малом выгорании поверхность изделий становится шероховатой (эффект апельсиновой корки). В случае крупного зерна и больших выгораний неровности на поверхности увеличиваются, появляются чередующиеся гребешки и впадины (жеванность). Одновременно может происходить деформация изделий, например прутов из U.

При исследовании облученного монокристалла U было установлено удлинение в направлении [010], сокращение длины по оси [100] (в направлении [001] монокристалл не изменяется).

Поведение поликристаллического урана под облучением существенно зависит от размера зерна и совершенства его структуры, от характера текстуры.

Изменение формы U при радиационном росте можно представить как переход атомов из плоскости p[100] в плоскость [010]. Такой перенос должен осуществляться либо миграцией отдельных атомов, либо за счет из кооперативного движения.

Достоинства Me U:

1.высокая теплопроводность;

2.максимальное содержание делящегося материала (U).

Недостатки:

В чистом виде Me U не применим как топливо для ЯР. При облучении в АЗ реактора образец Me U быстро теряет свои (невысокие) коррозионные и механические (прочностные) свойства, изменяются его форма, размеры и даже целостность. Причина этому ряд специфических эффектов:

1)твердое распухание; 2)термоциклирование – цикл термообработки (разогрев / охлаждение), приводит к изменению объема ΔV = 2-5%; 3)радиационный рост;4)газовое распухание; 5)радиационная ползучесть.

Для того чтобы уменьшить эффекты 2 и 3 (см. выше) нужно выбирать такие способы обработки U, которые способствуют измельчению зерен и их произвольной ориентации в пространстве между собой.

53. Алюминиевые сплавы и их применение в ядерной энергетике

В качестве конструкционных материалов в реакторостроении используют металлы и их сплавы. Это связано с тем, что сплавы металлов обладают высокой прочностью при достаточном уровне пластичности, способны упрочняться при пластической деформации.

Чистые металлы в атомной энергетике применяются ограниченно, там, где требуются высокая пластичность и отсутствие примесей:

1) Al высокой чистоты – для оболочек ТВЭЛов исследовательских реакторов;

2) Al технической частоты (содержание примесей не более 0,5%) – для изготовления баков исследовательских реакторов и ряда узлов АЗ.

Применение сплавов на основе Al:

1) изготовление оболочек ТВЭЛов и технологических каналов водоохлаждаемых реакторов для производства плутония;

2) изготовление каналов СУЗ канальных кипящих реакторов.

Максимальная рабочая температура, при которой могут использоваться сплавы Al c водным теплоносителем, 523 К.

Низкое сечение поглощения ТН в случае его использования в АЗ позволяет работать на природном U и при большом выгорании. Малое сечение захвата ТН, низкая плотность делают алюминий весьма перспективным для реакторостроения. Температура плавления Al невысока, он не претерпевает структурных превращений до температуры плавления.

Сплавы, легированные Ni и Fe, применяются для изготовления оболочки ТВЭЛов, эксплуатирующихся при температуре до 473 К. Более прочные сплавы типа 6061 применяются для изготовления технологических каналов.

Значительное упрочнение Al может быть достигнуто введением в него окисла Al.

Сплавы Al, кроме металлокерамических, достаточно пластичны и этом смысле технологичны. Из них легко изготавливаются изделия методом прессования, выдавливания. Сварка сплавов Al встречает некоторые трудности, однако процесс этот освоен и широко применяется при изготовлении ТВЭЛов. Изделия из сплавов Al могут быть соединены пайкой или склеиванием. К сплавам, идущим на изготовление оболочек, предъявляют требования высокой пластичности. От сплавов, идущих на изготовление каналов и других конструкций АЗ, требуется высокая прочность.

Материалы оболочек должны быть совместимы с ядерным топливом. Взаимодействие между U и Al начинается при температуре 523 К. При 523 К за 2000 ч в результате взаимодействия возникает интерметаллидный слой толщиной 0,025 мм. Двуокись урана совместима с Al до температуры 533 К, карбид и нитрид U – до 813 К.

Радиационная стойкость. Вследствие низкой температуры рекристаллизации радиационные повреждения Al и его сплавов невелики. Имеет место повышение предела текучести и прочности при сохранении пластичности (для предварительно упрочненных материалов) или снижение ее до допустимого уровня. Нейтронное облучение скорее улучшает, чем ухудшает механические свойства Al и его сплавов.

У сплавов Al низкая коррозионная стойкость при температурах 523-573 К в воде и пароводяной смеси. Длительная и надежная работа изделий из Al и его сплавов в водоохлаждаемых реакторах при температуре ниже 523 К в значительной степени определяется их коррозионной стойкостью, которая существенно зависит от качества воды, конструкционных особенностей (наличие щелей и зазоров, контактов с другими материалами), состава сплавов, облучения и т.д.

UAl₂ и UAl₃ образуют металлические пленки, сцепленные с U, и, по-видимому, не влияют существенно на теплопередачу и контакт U и Al. Интерметаллид UAl₄ не образует фазу, хорошо сцепленной с Al или UAl₃. UAl₄ рассыпается в порошок, при этом нарушается контакт U с Al.

Для улучшения совместимости между оболочкой ТВЭЛа и топливом создают диффузионный барьер, помещая, например, Ni между U и Al. Интерметаллические соединения в системе U-Ni растут значительно медленнее, чем в системе U-Al. Образование на поверхности Al слоя Al₂O₃ толщиной 20 мкм предотвращает взаимодействие с U до 823 К. Испытания продолжительностью 200 ч на совместимость Al с U показали, что Al c U несовместим.