40. Особенности реакторов с графитовым замедлителем. Энергия Вигнера.

Углерод в виде графита и алмаза. ρ = 1,65-1,75 г/см³. Решетка сложная, гексагональная. Прочен.

σs= 5*10^-28м², σа = 4,5*10^-38м².

ξ = 0,158, Кз = 173.

«+»

• достаточно распространен, => дешевизна

• малое сечение поглащения нейтронов =>

• большое значение Кз =>

• низкое обогащение топлива

• высокая жаропрочность

«-»

• не большая замедляющая способность =>

• большие размеры активной зоны

• под действием нагрузок, t и обличения меняет свои формо-размеры

• энергия Вигнера(графит накапливает энергию в виде дефектов при облучении, которая может высвобождаться при высокой температуре, выше той, при которой его облучали).

• При излучении сильно изменяется (↓) теплопроводность.

41. Терморадиационное повреждение компактной двуокиси урана.

Для ядерного горючего существенным является изменение его свойств и размеров при облучении и термическом воздействии.

Радиационная стойкость . Распухание и связанное с ним изменение объема вызывается следующим процессом (механизмами):

• Накопление продуктов деления, имеющих большой объем;

• Рост зерен, в результате выбивания атомов из узлов и внедрение атомов продуктов деления

• Образование пар в следствии слияния вакансий;

• Увеличение объема пар, в следствии накопления в них ГПД(газообразных продуктов деления) и их слияния. В процессе эксплуатации в таблетках возникают радиальные трещины.

• При облучении теплопроводность снижается

Распухание топлива приводит к появлению в топливном сердечнике напряжения, сжиманию во внутренних зонах и растягиванию во внешних. Центральные зоны таблеток UO₂ более нагреты => у них большее тепловое расширение по сравнению с оболочками и наружными слоями. При облучении снижается и без того малая теплопроводность UO₂ . низкая теплопроводность и обусловленные ею высокие термические напряжения вследствие большого градиента температуры могут вызвать растрескивание UO₂ . растрескивание происходит в радиальном направлении и может сопровождаться разрушением таблеток.

41. Замедляющие свойства легкой и тяжелой воды. Проблемы ее использования в качестве замедлителя.

Вода: легкая и тяжелая (в скобках значения для тяжелой воды)

«+»

• Может использоваться как замедлитель и как теплоноситель одновременно

• Gs=6,9*10^-27(1,18*10^-27)м²

• Ga=6,64*10^-29(1*10^-31)м²

• ƺ=0,918(0,51)

• K₃=95(5820)

• Можно использовать не обогащенное (низкообогащенное) топливо для тяжелой воды

• Большая замедляющая способность воды

• Размеры активной зоны самые маленькие

«-»

• Низкая t кипения

• Большое давление насыщенных паров

• Большая теплоемкость, большая теплопроводность => очень хороший растворитель

• Большое сечение поглощения у легкой воды G_a

• Низкий коэффициент замедления у легкой воды

• Высокой обогащение топлива у легкой воды

• Тяжелая вода - дорогая

Обычная вода обладает хорошими замедляющими свойствами, поэтому ядерные реакторы на легкой воде при той же мощности обладают меньшими размерами.

Тяжелая вода обладает минимальным сечением поглощения из всех замедлителей, однако высокая стоимость производства ее не позволяет широкое использование.

41. Виды пластинчатых ТВЭЛ, их достоинства и недостатки

Конструкции пластинчатых ТВЭЛов представляют собой топливный сердечник из сплавов U-Al, U-Al-Si, U-Al-Ni с содержанием урана от 10 до 15 мас. в сплаве, который заключен в оболочку из алюминия или его сплавов Структура сплавов представляет собой интерметаллическое соединение UAl₃или U(Al, Si)₃в алюминиевой матрице. Для получения структуры UAl₃, имеющей более высокие технологические характеристики, чем остальные интерметаллиды урана с алюминием (UAl₂, UAl₄), состав уран-алюминиевых сплавов стабилизируют кремнием в количестве до 3 мас. с образованием изоморфного с UAl₃соединения U(Al, Si)₃. Твэлы этих конструкций обладают высокой радиационной и коррозионной стойкостью и сравнительно низким радиационным распуханием (15% на 1 г оск. /см³). Твэлы этих конструкций изготавливают методами прессования, прокатывания или выдавливания совместно сердечника из сплава U-Al и оболочки из алюминиевых сплавов. Сплавы U-Al изготавливают в виде гранул или крупки, из которых формуются прессованием, прокатыванием или выдавливанием сердечники твэлов с равномерным распределением урана по объему. Затем для соединения топливного сердечника с оболочкой производят совместную горячую прокатку с промежуточными отжигами или горячее совместное выдавливание оболочки и топливного сердечника. Тонкие пластинчатые твэлы имеют большую поверхность теплообмена, однако в работе они механически малоустойчивы и возможен выход их из строя вследствие термических, вибрационных и других воздействий.

41. Оксиды плутония, тория и смешанные оксиды. Их свойства, достоинства и недостатки.

PuO₂, ThO₂, и смешанные оксиды являются керамическим топливом. Керамическое топливо – соединение U, Th и Pu с неметаллами(O, C, N, S), имеющие высокую t плавления, значительную плотность(порядка 10), низкое сечение захвата(G_a, сечение поглощения); стойкость в условиях облучения.

PuO₂ в виде твердого раствора с UO₂ применяют для изготовления ТВЭЛов реакторов на БН с расширенным воспроизводством. Коэффициент теплового расширения сравним с UO₂, PuO₂ трудно растворима в большинстве . Средняя радиационная стойкость также близка к UO₂

ThO₂ во многом сходна с UO₂ . Высокая t плавления = 3573К, не окисляется на воздухе, хрупкий материал. Предел прочности на сжатие 24,5 Мпа при Е=293К. Спеченная ThO₂ не взаимодействует с CO₂ и устойчиво в виде до Е=573К.

UO₂ «+» температурная и радиационная стабильность T плавления =2880гр. С, гранецентрированная кубическая решетка.

«-» низкая теплопроводность, влечет за собой увеличение градиенты температуры (перепадов) по сечения(радиусу). Может явиться причиной растрескивания и расплавления. Во избежании этого изделия из UO₂ стараются делать как можно меньшей толщины. Свыше 1400гр. С UO₂ становится пластичным. Хорошая коррозионная стойкость в жидких Ме и удовлетворительная в воде. До 300 гр. С с водой практически не взаимодействует.

Радиационная стойкость . Распухание и связанное с ним изменение объема вызывается следующим процессом (механизмами):

• Накопление продуктов деления, имеющих большой объем;

• Рост зерен, в результате выбивания атомов из узлов и внедрение атомов продуктов деления

• Образование пар в следствии слияния вакансий;

• Увеличение объема пар, в следствии накопления в них ГПД(газообразных продуктов деления) и их слияния. В процессе эксплуатации в таблетках возникают радиальные трещины.

• При облучении теплопроводность снижается

41. Свойства органических теплоносителей и требования к ним.

Органические теплоносители имеют ряд преимуществ перед водой. Небольшое давление паров органических жидкостей упрощает конструкцию и эксплуатацию контура. Вследствие малой коррозионной активности в реакторе могут применяться дешевые углеродистые стали.

Основные недостатки: термическая и радиационная нестойкость. Разложение органических соединений при высокой температуре вызывает резкое изменение их свойств.

Ядерный реактор, использующий в качестве теплоносителя органические жидкости (газойль, полифенилы, дифенильную смесь, Дифенил C₆H₅—C₆H₅ и пр.), имеет хорошие замедляющие свойства и высокую температуру кипения при атмосферном давлении.

• Температура плавлениярекомендуемых в настоящее время органических теплоносителей выше температуры окружающей среды. Это вынуждает снабжать коммуникационные линии и оборудование специальными подогревательными устройствами.

• Термическая и радиационная нестойкость. При высокой температуре и под действием излучения органические жидкости распадаются или образуют более сложные вязкие органические соединения. Для очистки органической жидкости от примесей в первый контур должны входить очистительные устройства, что усложняет энергетическую установку. Поэтому органические жидкости пока ещё редко используются в реакторостроении.

Требования к теплоносителям:

1. Малая коррозионная агрессивность, малое эрозионное воздействие на все материалы активной зоны.

2. Высокая t кипения, маленькая t плавления

3. Высокие теплоемкость, теплопроводность, малая вязкость

4. Высокая температуростойкость и радиационная стойкость

5. Малое сечение поглощения нейтронов

6. Взрывобезопасность, негорючесть, нетоксичность

7. Доступность(вода, CO₂,воздух)

8. Слабая активность.

41. Терморадиационное изменение металлического сердечника ТВЭЛ.

Тепловыделя́ющий элеме́нт (ТВЭЛ) — главный конструктивный элемент активной зоны гетерогенного ядерного реактора, содержащий ядерное топливо. В ТВЭЛах происходит деление тяжелых ядер ²³⁵U, ²³⁹Pu или ²³³U, сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся теплоносителю. ТВЭЛы состоят из топливного сердечника, оболочки и концевых деталей.

Для металлических сердечников используются чистые уран, торий или плутоний, а также их сплавы с алюминием, цирконием, хромом, цинком.

К числу основных терморадиационных повреждений ТВЭЛ следует отнести:

1. Разрушение оболочки

2. Изменение формы и размеров сердечника вследствие радиационного роста распухания, термических циклов и аллотропных превращений.

Герметизирующая оболочка Тепловыделяющий элемент обеспечивает надёжное отделение сердечника от теплоносителя. Нарушение её целостности привело бы к попаданию продуктов деления в теплоноситель, его активации и затруднению обслуживания реактора, а кроме того (в ряде случаев), к химической реакции теплоносителя с веществом сердечника и, следовательно, к «размыванию» сердечника и потере им требуемой формы.

46. Керамическое топливо на основе нитридов, сульфидов и фосфидов. Достоинства, недостатки и перспективы использования.

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

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

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

UC_, PuC – один из перспективных ядерных материалов в связи с высоким содержанием в них горючего и повышенной теплопроводностью. Его используют при сохранение загрузки активной зоны увеличивая тепловыделение. Хорошая радиационная стойкость и большое выгорание. UC с большой скоростью реагирует с водой при температуре 20 – 60 градусов; в органических теплоносителях нестоек при высокой температуре и инертен к расплавам натрия и калия.

UC₂ – имеет меньшую плотность по U, чем UC; претерпевает аллотропное превращение при температуре 2103К. Стойкость на воздухе близка к UC, также как и теплопроводность. Взаимодействие UC₂ с большинством конструкционных материалов начинается при температуре более высокой, чем UC. Теплопроводность UC₂ близка к теплопроводности UC и возрастает с увеличением температуры.

UN, U₂N₃, UN₂ – из трех нитридов, наибольший интерес представляет UN. Совместимость с материалами выше, чем у UC; достаточно высокая теплопроводность, хорошо сопротивляется деформации при высокой температуре, хорошая радиационная стойкость. При нагревании до 1700˚С UN разлагается, при повышении давления этот процесс замедляется.

UP, US, ThS – высокая температура плавления, сравнительно стабильны при высокой температуре и совместимы со многими материалами, достаточно стойки во многих теплоносителях, перспективны как ядерное горючее

3 группа – дисперсионное ядерное горючее

Керамическое ядерное топливо находит все более широкое применение, особенно для высокотемпературных реакторов

46. Катодные реакции при коррозии в воде и способы их подавления.

При химической коррозии протекают два взаимосвязанных, но в определенной степени самостоятельных процесса

• Анодный – переход металла из кристаллической решетки в раствор в виде ионов происходит по реакции:

MeMe²⁺+2e

• Катодный – в большинстве случаев это разряд ионов водорода и ионизация кислорода. В первом случае говорят о процессе коррозии с водородной деполяризацией, во втором - с кислородной деполяризацией.

Рассмотрим катодный процесс кислородной деполяризации, который можно выразить следующей реакцией

O₂+ 2H₂O+4e↔ 4OH^-

Весь кислород, который диффундирует из объема электролита к поверхности металла в единицу времени, будет расходоваться на протекание катодной реакции. Концентрация кислорода непосредственно на поверхности электрода будет равна нулю. Катодная реакция ионизации кислорода может протекать с заметной скоростью лишь при наличии в среде кислорода. В деаэрированных средах катодным процессом является реакция разряда ионов водорода. При низкой температуре в нейтральных средах скорость катодной реакции разряда ионов водорода мала, так как мала и концентрация ионов водорода. С уменьшением pHсреды скорость водородной деполяризации возрастает, и в кислых средах большинство металлов корродируют с выделением водорода. В деаэрированной воде первого контура при высокой температуре коррозия реакторных материалов идет с водородной деполяризацией.

46. Защитные свойства бетонов и их характеристики.

Если масса и размер защиты не имеют значения, в качестве основного материала защиты используют цемент и бетон. Степень ослабления интенсивности нейтронного потока системой биологической защиты в большой степени зависит от содержания воды в материале защиты, которое в свою очередь определяется в основном типом используемого бетона и способом его изготовления. Поглощение нейтронов бетонной защитой может быть увеличено если добавлять бор примерно на 1%, но возрастает и стоимость примерно в 2-3 раза.

Для защиты от γ-излучения можно использовать наполнитель с разной плотностью. Наименьшей при использовании песка и гравия, наибольшая – стальные шарики или обрезки стального лома (дороговизна в 40-50 раз)

Конструкция может быть монолитной или состоять из отдельных блоков. Монолитные конструкции защиты применяют для больших реакторов. Блочная конструкция целесообразна для небольших исследовательских реакторов, где необходим свободный доступ к активной зоне и которые менее опасны как источники излучения. При монолитной конструкции стоимость возрастает из-за использования каркасов. Важно равномерное распределение наполнителя с большим удельным весом, например, стальных шариков. При изготовлении отдельных блоков стоит обращать внимание на участки стыковки между блоками, чтобы обеспечить защиту от облучения.