Калин Физическо материалознание том 6 част 2 2008 г. - стр. 50

Някои характеристики на реактори, използващи диспергирани горивни елементи със стоманен състав, са дадени в таблица. 24.47.

Диспергирани състави с никелова матрица. От възможните

От дисперсните състави с никелова матрица практическо приложение намери само дисперсията, която се използва в съветския високопоточен реактор, работещ на междинни неутрони. Никелът има високо напречно сечение на улавяне на термични неутрони (4,6, но използването на неутрони с междинни енергии прави възможно подобряването на баланса на неутроните в активната зона на реактора 1 .

Никелът е съвместим с урановия диоксид до 1400°C, когато започва бавно взаимодействие между тях. Структурата на диспергираните сърцевини на необлъчени пластинчати горивни елементи, получени чрез валцуване, съдържа голям брой удължени UO 2 зърна, които са подредени във вериги, успоредни на обвивката. Малките зърна често имат сферична форма, докато големите зърна не са монолитни и се състоят от по-малки. Няма преходен слой между матрицата и обвивката.

Дългогодишният опит в експлоатацията на горивни елементи на диспергирани реактори показва, че те имат висока размерна и структурна стабилност. Така при изгаряне от 30% намаляването на плътността на диспергирания състав е 15,2%, а намаляването на плътността на диспергирания горивен елемент като цяло е 6,6%. При големи изгаряния, набъбването на диспергирания състав се описва с израз (24.135).

При изгаряне от 30% нямаше забележими промени в структурата, но микротвърдостта на черупката се увеличи повече от два пъти и възлиза на 3750 MPa в сравнение с 1830 MPa преди облъчването. Въз основа на данните за поетапно изотермично отгряване на облъчени проби е установено, че промените в тяхната плътност и порьозност започват при 300°C.

Структурен анализзакалените проби показаха наличие на пукнатини и липса на значителни промени в структурата на UO 2 зърното. Някои характеристики на реактора и диспергираните горивни елементи със състав са представени в табл. 24.48.

1 Физическо материалознание. Т. 6. Част 1. - М .: МИФИ, 2008. С. 23.7.1.

Характеристики на реактор с дисперсен горивен състав

носител, °С, макс. топлинен поток, W/m

неговите размери, mm 2,

Дисперсно ядрено гориво с матрица от огнеупорни метали

висок. Огнеупорните метали представляват значителен интерес за високотемпературните ядрени електроцентрали поради техните високи точки на топене и висока устойчивост на топлина 1 . Като горивни материали в диспергирани състави на базата на огнеупорни метали е целесъобразно да се използват оксиди, карбиди и нитриди на уран и плутоний, които също имат високи точки на топене и, което е особено важно, са съвместими с огнеупорни метали до високи температури.

Към днешна дата най-изследвани са високотемпературните дисперсии, но няма информация за използването им в атомни електроцентрали.

1 Физическо материалознание. Т. 6. Част 1. - М .: МИФИ, 2008. С.23.8.1.

Състав на дисперсия При приготвянето на дисперсия се използват следните методи:

а) горещо ударно пресоване, което се състои в смесване на частици от уранов диоксид с висока плътност с волфрамов прах и пресоване на сместа при 1200 ° C в матрица с високо енергийно въздействие;

б) изотермично горещо пресоване, което се извършва в атмосфера на инертен газ при °C и налягане 770 GPa;

в) вакуумно горещо пресоване на UO 2 частици, покрити с волфрам. Типичен режим на пресоване: температура 1800 °C, налягане 40 GPa и продължителност 20 минути. Използвайте малки частици диоксидпокрити, ако имат голям диаметър, тогава преди пресоване те се смесват с фин волфрамов прах;

d) валцуване на смес от прахове от волфрамов и ураниев диоксид, последвано от валцуване на синтеровани ленти при 2250°C;

д) съвместно екструдиране на сместа в черупки от молибден при °C и последващо ротационно коване при 300 °C за получаване на допълнително намаление до 75%.

Проблемът с по-високия коефициент на линейно разширение на UO 2 в сравнение с волфрама се решава чрез използване на частици диоксид с ниска плътност;

Използването на волфрам с висока чистота и стехиометричен уранов диоксид позволява да се изключи образуването на течни фази от оксиди на волфрам и UO 2 . Въпреки това, при високи температури, в резултат на взаимодействието на UO 2 и W, образуването на което е непропорционално е възможно (т.е. протича реакция със самооксиден ураниев диоксид със стехиометричен състав и метален уран. Уранът взаимодейства с волфрам в перитектична реакция при високи температури, близки до точката на топене на урана. Следователно, при производството на дисперсия, големи фракции уранов диоксид частиците са по-предпочитани.

Данните за якостта на диспергирания състав са показани на фиг. 24.308. Увеличаването на обемното съдържание на уранов диоксид значително намалява силата на състава. Валцуването води до силна анизотропия на якостните свойства в

мостри; якостта по посока на валцуване е значително по-висока, отколкото напречно; обаче, с увеличаване на съдържанието на частици UO 2, разликата в свойствата на якост по протежение и напречно валцуване намалява.

Ориз. 24.308. експериментален

Ориз. 24.309. експериментален

зависимост от силата на състава

W - 40% UO 2 от обемното съдържание

UO 2 и направления на търкаляне

Увеличаването на обемното съдържание на уранов диоксид намалява топлопроводимостта на състава (фиг. 24.309) и увеличава стойността на коефициента на топлинно разширение (фиг. 24.310).

Ориз. 24.310. Относително топлинно разширение W и UO 2

Поведението на състави от 60 об.% и 60 об.% в обвивката на сплавта по време на облъчване като функция от температурата е показано на фиг. 24.311. Анализът на представените данни показва, че съставът се държи по-добре при изгаряне, отколкото повишаването на температурата значително намалява постижимата дълбочина на изгаряне на горивото.

Ориз. 24.311. Поведението на състава с 60 об.% UO 2 в матрица от W и сплав

в зависимост от прегарянето (□ е матрица от W; ○ е матрица от

□ , ○ и без образуване на мехури; ○ - има образуване на мехури, няма отделяне на газ; ■, ● - има отделяне на газ, няма образуване на мехури

Дисперсен състав Технологията за получаване на дисперсен състав е подобна на технологията за получаване на състав, но работните температури на технологичните процеси са малко по-ниски. Трябва да се има предвид, че въпреки добрата съвместимост, молибденът и ураниевият диоксид могат да взаимодействат в редуцираща атмосфера, особено при условия на температурен цикъл, а излишъкът от кислород в горивото или молибден може да доведе до взаимодействие в течна фаза. Последното обстоятелство се използва в един от технологичните процеси за получаване на състав, който е както следва. Смес от Mo и U 3 O 8 прахове се подлага на горещо пресоване при

1800 °C, което води до образуването на течна фаза, която обгръща частиците U3O8. Това води до редукция до уранов диоксид със стехиометричен състав. След охлаждане дисперсията има почти стехиометрична плътност.

температурни даннизависимостите на топлопроводимостта на дисперсния състав 60% са показани на фиг. 24.309, от което се вижда, че той е малко по-висок от подобни зависимости за състава, което се дължи, очевидно, на по-високата топлопроводимост на молибдена.

Скоростта на пълзене на дисперсния състав 30% UO 2 - Mo при 1800 ° C е по-висока от скоростите на пълзене на UO 2 и Mo (фиг. 24.312) и намалява с увеличаване на диаметъра на частиците UO 2. Приема се, че естеството на дисперсионното пълзене се определя от приплъзването на фазите и границите на зърната.

Облъчването на състава 80% при температура на обвивката от 1000°C и температура в центъра на сърцевината от 1600°C до изгаряне от 4% показа, че при тези условия съставът има задоволително

DYT с оксидна матрица. Огнеупорните метални оксиди с ниско напречно сечение на улавяне на неутрони, като BeO, Al 2 O 3, MgO и някои стъкла, са от особен интерес за използване като матрици за диспергирани горивни състави във високотемпературни реактори поради тяхната добра устойчивост на топлина. Въпреки това, те са крехки при ниски температури, поддържат HPD по-лошо от металите и, с изключение на BeO, имат ниска топлопроводимост. Оксидите на берилий, алуминий и магнезий образуват диаграми от евтектичен тип с ураниев диоксид с евтектични точки на топене 2170, 1915 и 2280 ° C. Съответно диспергираните състави на тяхна основа имат структура, състояща се от UO 2 зърна и околната евтектика. Свойствата на оксидното диспергирано гориво до голяма степен зависят от свойствата на оксидната матрица. Доскоро в реакторите се използваше само дисперсен състав поради добрата модерираща способност на берилиевия оксид и високата му топлопроводимост.

Технологията за производство на диспергирано гориво включва следните методи:

а) по-горещопресоване на смес от прахове UO 2 и BeO при температури °C, което прави възможно постигането на плътност

в) пресоване на мундщука и последващо синтероване на продуктите при °C;

г) горещо ударно пресоване при температури над 1000 °C. Термичното разширение на урановия диоксид е много по-голямо от това на берилиевия оксид; следователно, след високотемпературна обработка на състава, охлаждането може да доведе до свиване на частици от уранов диоксид в матрицата на берилиевия оксид. Последствието от това е напрежение в частиците на урановия диоксид, тяхното разслояване и дори разрушаване, но матрицата остава непроменена.

Значителен интерес представлява и използването на сферични частици UO 2, покрити със слой от берилиев оксид за получаване на дисперсен състав. Те задържат по-добре продуктите на делене и позволяват извършването на технологични операции във въздуха.

Ориз. 24.313. Топлопроводимост на системата от берилиев оксид

и чист берилиев оксид:

1 – плътност на берилиевия оксид 98% от теоретичната; 2 - 20 об.% диоксидберилий; плътност 98% от теоретичната (изчисление);

3 - 30 об.% берилий, плътност 98% от теоретичната (изчислителна); 4 - 20 об.% диоксидберилий, плътност 80% от теоретичната.

За криви 2 и 3 частиците от уранов диоксид бяха взети като празнини

При липса на водна пара съставът е доста стабилен във въздух, азот и кислород, които могат да се използват като топлоносители до 2000 ° C. Във влажна атмосфера при температури над 1000 ° C той корозира.

При облъчване на състава в матрицата се образува значително количество хелий, което води до увеличаване на обема на BeO. Подуването е анизотропно по природа и причинява образуването на микропукнатини в поликристалната структура, големината и плътносттакоето зависи от температурата, неутронния поток и размера на зърната на материала.

Топлопроводимостта на състава след деления/cm 3 намалява с % спрямо първоначалната стойност, якостта след деления/cm 3 намалява с %, а модулът на еластичност намалява с %. Диспергираният състав под действието на облъчване (12 10 26 случая / m 3), слабо задържа газообразни продукти на делене и

претърпява аморфизация при висока температура. Увеличаването на неговия обем при 150 ° C и неутронен поток от 5 10 24 неутрона / m 2 (неутронна енергия> 1 MeV) протича линейно и възлиза на

1 %. В интервала neutr./m 2 скоростта на увеличаване на обема се забавя донякъде. Свойствата на композита намаляват приблизително три пъти при повишаване на температурата на облъчване от 100 до 500°C. Мехурчета от газове хелий и тритий, възникващи в резултат на ядрени реакции, се образуват в температурния диапазон от °C при флуенс на бързи неутрони 6·10 25 неутрона/m 2 .

Състави с големи размери на частиците UO 2 (

100 µm). Матрицата в такива състави не губи своята кристална структура при облъчване. Стойността на кислородния коефициент на UO 2 частиците е важна за радиационната стабилност на дисперсния състав. При големи стойности на кислородния коефициент на UO 2 частици, освобождаването на газообразни продукти на делене се увеличава поради високата скорост на дифузия.

При високо обемно съдържание на UO 2 в диспергирани състави под формата на пелети, облъчени при високи температури на повърхността на горивния елемент (°C), е възможно ясно изразено преразпределение на горивото и матрицата по радиуса на пелетата, както и образуването на централна кухина.

Освобождаването на газообразни продукти на делене от гориво от частици зависи главно от размера на частиците на урановия диоксид, изгарянето и температурата. Има значениетосъщо и образуването на микропукнатини.Количеството на продуктите на делене, отделени при облъчването е

1% при 10 20 деления / cm 3 и

20% при 10 21 деления / cm 3. Отделянето на газ от UO 2 частици в обвивка от BeO и в матрица от същия материал е само %.

Частиците UO 2, покрити с берилиев оксид, запазват GPA много по-добре от тези без покритие.

Предполага се, че съставите ще могат да издържат на излагане на бързи неутрони до 2·10 25 неутрона/m 2 при 650 °C и 4·10 25 неутрона/m 2 при 1000 °C. Някои характеристики на реактори, използващи диспергирани горивни елементи със състав, са дадени в табл. 24.49.

---