Калин Физическое материаловедение Том 6 Част 2 2008

Некоторые характеристики реакторов, использующих дисперсные твэлы с композицией UO2–коррозионно-стойкая сталь, приведены в табл. 24.47.

Дисперсные композиции с матрицей из никеля. Из возмож-

ных дисперсных композиций с никелевой матрицей практическое применение нашла только дисперсия UO2-Ni, которая используется в советском высокопоточном реакторе СМ-2, работающем на промежуточных нейтронах. Никель имеет высокое сечение захвата тепловых нейтронов (4,6 см-24), однако использование нейтронов промежуточных энергий позволяет улучшить баланс нейтронов в активной зоне реактора1.

Никель совместим с диоксидом урана вплоть до 1400 °С, когда между ними начинается медленное взаимодействие. Структура дисперсных сердечников необлученных пластинчатых твэлов, полученных прокаткой, содержит большое количество вытянутых зерен UO2, которые расположены цепочками параллельно оболочке. Мелкие зерна чаще имеют сферическую форму, а крупные зерна не монолитны и состоят, по-видимому, из более мелких. Переходной слой между матрицей и оболочкой отсутствует.

Длительный опыт эксплуатации дисперсных твэлов реактора СМ-2 показал, что они обладают высокой размерной и структурной стабильностью. Так, при выгорании 30 % уменьшение плотности дисперсной композиции UО2-Ni составило 15,2 %, а дисперсного твэла в целом – 6,6 %. При больших выгораниях распухание дисперсной композиции описывается выражением (24.135).

При выгорании 30 % заметные изменения структуры отсутствовали, однако микротвердость оболочки увеличилась более чем в два раза и составила 3750 МПа по сравнению с 1830 МПа до облучения. На основании данных по ступенчатому изотермическому отжигу облученных образцов установлено, что изменения их плотности и пористости начинаются при 300 °С.

Структурный анализ отожженных образцов показал наличие трещин и отсутствие существенных изменений структуры зерна UO2. Некоторые характеристики реактора СМ-2 и дисперсных твэлов с композицией UO2-Ni представлены в табл. 24.48.

1 Физическое материаловедение. Т. 6. Ч. 1. – М.: МИФИ, 2008. П. 23.7.1.

491

Таблица 24.48

Характеристики реактора СМ-2 с дисперсной топливной композицией

UO2-Ni

Дисперсное ядерное топливо с матрицей из тугоплавких ме-

таллов. Тугоплавкие металлы представляют значительный интерес для высокотемпературных ЯЭУ вследствие их высоких температур плавления и большой жаропрочности1. В качестве топливных материалов в дисперсных композициях на основе тугоплавких металлов целесообразно использовать оксиды, карбиды и нитриды урана и плутония, которые также имеют высокие температуры плавления и, что особенно важно, совместимы с тугоплавкими металлами до высоких температур.

Дисперсные композиции с матрицей из тугоплавких металлов характеризуются хорошей теплопроводностью и удовлетворительной способностью удерживать продукты деления. Радиационные повреждения тугоплавких металлов отжигаются в случае их работы при высоких температурах. Основным фактором, определяющим режимы работы дисперсных композиций с матрицей из тугоплавких металлов и содержание в них топливной фазы, является распухание.

К настоящему времени наиболее изучены высокотемпературные дисперсии UO2-W и UO2-Mo, однако сведения об их использовании в ядерных энергетических установках отсутствуют.

1 Физическое материаловедение. Т. 6. Ч. 1. – М.: МИФИ, 2008. П.23.8.1.

492

Дисперсная композиция UO2-W. При приготовлении дисперсии UO2-W используют следующие методы:

а) горячее ударное прессование, которое заключается в смешивании частиц диоксида урана высокой плотности с порошком вольфрама и прессовании смеси при 1200 °С в матрице ударом высокой энергии;

б) изотермическое горячее прессование, которое проводится в атмосфере инертного газа при 1600–1800 °С и давлении 770 ГПа;

в) вакуумное горячее прессование частиц UO2, покрытых вольфрамом. Типичный режим прессования: температура 1800 °С, давление 40 ГПа и длительность 20 мин. Используют мелкие частицы диоксида с покрытием, если же они имеют большой диаметр, то перед прессованием их смешивают с мелким порошком вольфрама;

г) прокатка смеси порошков вольфрама и диоксида урана с последующей прокаткой спеченных полос при 2250 °С;

д) совместное выдавливание смеси UO2-W в оболочках из молибдена при 1800–2000 °С и последующая ротационная ковка при 300 °С для получения дополнительного обжатия до 75 %.

Проблема более высокого по сравнению с вольфрамом коэффициента линейного расширения UO2 решается путем использования частиц диоксида с низкой плотностью;

Применение высокочистого вольфрама и стехиометрического диоксида урана позволяет исключить образование жидких фаз из оксидов вольфрама и UO2. Однако при высоких температурах в результате взаимодействия UO2 и W возможно образование UO2-x, который диспропорционирует (т.е. происходит реакция самоокис- ления–самовосстановления) на диоксид урана стехиометрического состава и металлический уран. Уран взаимодействует с вольфрамом по перитектической реакции при высоких температурах, близких к температуре плавления урана. Поэтому при изготовлении дисперсии UO2-W более предпочтительны крупные фракции частиц диоксида урана.

Данные по прочности дисперсной композиции UO2-W приведены на рис. 24.308. Увеличение объемного содержания диоксида урана сильно снижает прочность композиции. Прокатка приводит к возникновению сильной анизотропии прочностных свойств в об-

493

разцах; прочность вдоль направления прокатки существенно выше, чем поперек, однако с увеличением содержания частиц UO2 разность в прочностных свойствах вдоль и поперек прокатки уменьшается.

Увеличение объемного содержания диоксида урана снижает теплопроводность композиции UO2-W (рис. 24.309) и повышает величину коэффициента термического расширения (рис. 24.310).

Рис. 24.310. Относительное термическое расширение W, W-Re, W-UO2 и UO2

Поведение композиций 60 об.% UO2-W и 60 об.% UO2-(W-Re) в оболочке из сплава W-Re-Mo при облучении в зависимости от температуры показано на рис. 24.311. Анализ приведенных данных свидетельствует о том, что композиция UO2-W ведет себя с выгоранием лучше, чем UO2-(W-Re). Повышение температуры существенно снижает достижимую глубину выгорания топлива.

494

Скорость ползучести дисперсной композиции 30 % UО2 – Mo при 1800 °С выше скоростей ползучести UO2 и Мо (рис. 24.312) и уменьшается с ростом диаметра частиц UO2. Предполагается, что характер ползучести дисперсии определяется скольжением фаз и границ зерен.

Облучение композиции 80 % UO2-Mо при температуре оболочки 1000 °С и температуре в центре сердечника 1600 °С до выгорания 4 % показало, что при этих условиях композиция обладает удовле-

стойкостью.

ДЯТ с оксидной матрицей. Тугоплавкие оксиды металлов, имеющие малые сечения захвата нейтронов, такие как BeО, Al2O3, МgО и некоторые стекла, представляют определенный интерес для использования в качестве матриц дисперсных топливных композиций в высокотемпературных реакторах вследствие их хорошей жаропрочности. Однако они являются хрупкими при пониженных температурах, хуже чем металлы удерживают ГПД и имеют, за исключением BeО, низкую теплопроводность. Оксиды бериллия, алюминия и магния образуют с диоксидом урана диаграммы эвтектического типа с температурами плавления эвтектики 2170, 1915 и 2280 °С. Соответственно, дисперсные композиции на их основе имеют структуру, состоящую из зерен UO2 и окружающей их эвтектики. Свойства оксидного дисперсного топлива во многом зависят от свойств оксидной матрицы. До последнего времени применение в реакторах нашла только дисперсная композиция UO2-ВeО вследствие хорошей замедляющей способности оксида бериллия и его высокой теплопроводности.

Технология изготовления дисперсного топлива UO2-BeO включает в себя следующие методы:

а) горячее прессование смеси порошков UO2 и BeO при температурах 1500–1800 °С, которое позволяет достигнуть плотности

90–98 % ТП;

496

б) холодное прессование и спекание в две стадии при температурах 1000–l200 °C и 1600–l800 °C, чтo дает возможность получить плотность 94–98 % от теоретической, при этом содержание UО2 в топливе находится обычно в пределах 5–30 %;

в) мундштучное прессование и последующее спекание изделий при 1600–1800 °С;

г) горячее ударное прессование при температурах выше 1000 °С. Термическое расширение диоксида урана значительно больше, чем у оксида бериллия, поэтому после высокотемпературной обработки композиции UO2-BeO охлаждение может привести к усадке частиц диоксида урана в матрице из оксида бериллия. Следствием этого являются напряжения в частицах диоксида урана, их отслоение и даже разрушение, однако матрица при этом остается непо-

врежденной.

Значительный интерес представляет также использование для приготовления дисперсной композиции UO2-BeO сферических частиц UO2, покрытых слоем оксида бериллия. Они лучше удерживают продукты деления и позволяют проводить технологические операции на воздухе.

Одно из наиболее интересных свойств оксида бериллия – высокая теплопроводность, которая при комнатной температуре лишь немногим хуже, чем у меди. С повышением температуры теплопроводность быстро падает, но даже при 800 °С теплопроводность oксида бериллия выше, чем у металлического урана. С увеличением объемного содержания частиц UO2 теплопроводность композиции UO2-BeО падает (рис. 24.313). Хорошие теплопроводность и прочность тонкоизмельченного оксида бериллия обеспечивают весьма высокую стойкость этой композиции к термическому удару. Состояние поверхности, размер зерен, плотность и объемное содержание диоксида урана влияют на механические свойства композиции UO2-ВеО. К сожалению, при существующей технологии ее производства воспроизводимость механических свойств спеченных образцов невысокая. Модуль упругости при разрыве образца с плотностью более 96 % от теоретической составляет 210–280 МПа. Влияние частиц диоксида урана на снижение прочности спеченной топливной композиции весьма сходно с влиянием пустот эквивалентного объема.

497

вергается аморфизации при высокой температуре. Увеличение ее объема при 150 °С и флюенсе нейтронов 5·1024 нейтр./м2 (энергия нейтронов > 1 МэВ) идет линейно и составляет ~1 %. В интервале 1024–1025 нейтр./м2 скорость увеличения объема несколько замедляется. Свойства композиции уменьшались примерно в три раза при увеличении температуры облучения от 100 до 500 °С. Пузырьки газов гелия и трития, появляющиеся в результате ядерных реакций, образовывались в интервале температур 900–1000 °С при флюенсе быстрых нейтронов 6·1025 нейтр./м2.

Наиболее стабильны композиции с крупными размерами частиц UO2 (~100 мкм). Матрица в таких композициях при облучении не теряет кристаллической структуры. Важное значение для радиационной стабильности дисперсной композиции имеет величина кислородного коэффициента частиц UO2. При больших величинах кислородного коэффициента частиц UO2 выделение газообразных продуктов деления увеличивается вследствие большой скорости диффузии.

При высоких объемных содержаниях UO2 в дисперсных композициях в виде таблеток, облучаемых при высоких температурах поверхности твэла (700–1250 °C), возможно резко выраженное перераспределение топлива и матрицы по радиусу таблетки, а также образование центральной полости.

Выделение газообразных продуктов деления из дисперсного топлива UO2-BeО зависит главным образом от размера частиц диоксида урана, выгорания и температуры. Имеет значение также образование микротрещин Количество выделившихся продуктов деления при облучении составляет ~1 % при 1020 дел./см3 и ~20 % при 1021 дел./см3. Газовыделение из частиц UО2 в оболочке из BеО и в матрице из этого же материала составляет лишь 10-3 %.

Частицы UO2 с покрытием из оксида бериллия значительно лучше удерживают ГПД, чем непокрытые.

Предполагают, что композиции UO2-BeO смогут выдерживать облучение быстрыми нейтронами до 2·1025 нейтр./м2 при 650 °C и 4·1025 нейтр./м2 при 1000 °С. Некоторые характеристики реакторов, использующих дисперсные твэлы с композицией UO2-BeO, приведены в табл. 24.49.

499

Контрольные вопросы

1.Какие особенности характерны для дисперсного ядерного топлива?

2.Опишите структуру идеальной дисперсной топливной композиции.

3.Какие факторы влияют на размеры частиц топлива в дисперсных композициях?

4.От чего зависит объемная доля топлива в матрице?

5.Какая структура характерна для реального необлученного дисперсного ядерного топлива?

6.Какими свойствами должен обладать материал матрицы дисперсного ядерного топлива?

7.Какими свойствами должен обладать материал топливной фазы?

8.Приведите примеры реальных топливных композиций.

500