GOSy_teoria_2013

90. Режимы перегрузок топлива: идеализированные и реальные, достоинства и недостатки.

Перегрузка ВВЭР.

Перегрузка идет на остановленном аппарате. Производят 3 частичные перегрузки за кампанию. В процессе перегрузки производится перестановка ТВС от периферии к центру при частичном перемешивании. АЗ делится на 2 части: внешний концентрический объём (1/3 объёма АЗ) и внутренний объём (2/3 объёма АЗ). После каждой частичной перегрузки в периферийной зоне содержится только свежее топливо, а во внутренней – которое простояло в АЗ 1-2 года.

В процессе каждой очередной частичной перегрузки (равновесный цикл) топливо, простоявшее в АЗ 3 года, выгружается из внутренней зоны и отправляется во временное хранилище. На его место устанавливают топливо, простоявшее 1 год, а в периферийную часть загружается свежее. Подобный режим выгоден только после выхода реактора на стационарный режим по топливному циклу.

Перегрузка РБМК.

Перегрузку производят на работающем реакторе. За время кампании (3 года) ежесуточно необходимо производить перегрузку всего 2 каналов. В стационарном режиме перегрузки топлива АЗ делится на 2 зоны: центральную, где поддерживается выровненное поле (плато), и периферийную. Каждая область разбита на ячейки периодичности. В каждой ячейке периодичности поддерживают постоянный средний состав топлива и постоянная средняя тепловая мощность. Подпитка свежим топливом производится в периферийную область. Свежее топливо переставляют в соответствующую ячейку периодичности в центральной области.

Т.о. в РБМК реализуется периодическая перегрузка с движением топлива от периферии к центру. Число перестановок за кампанию очень велико, что обеспечивает существенный выигрыш по глубине выгорания.

91. Пути повышения безопасности эксплуатации реакторов в будущем, нерешенные проблемы безопасности.

Создают реакторы с эффектом внутреннего саморегулирования. Повышение квалификации операторов, усовершенствование конструкций (СУЗ). Последовательное внедрение свойств внутренней самозащищенности и использование пассивных систем безопасности, обеспечивающих устойчивость реактора к ошибкам персонала и отказам оборудования.

141

Внутренняя безопасность реализуется на использовании естественных законов природы (гравитация, естественная циркуляция, испарение). Привлекательность использования естественных законов в концепции безопасности – постоянство их действия, независимость от внешних факторов. Принцип многобарьерности – последовательный ряд преград на пути распространения радиоактивности. Нарушение барьеров возможно лишь при наложении большого числа маловероятных неисправностей, что практически нереализуемо.

92. Механические, теплофизические и ядерно-физические свойства твердого тела и их связь с типом кристаллической решетки.

Анизотропия свойств.

Механические свойства.

1.Прочность - вычисляется через силы межатомного взаимодействия и составляет 1/6 от энергии связи. Используют понятие критерия прочности – деформация при некотором пределе напряжения на это тело.

2.Хрупкость – величина напряжения на тело, при котором происходит разрыв или разрушение тела.

Теплофизические свойства.

1.Теплопроводность – перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц.

2.Теплоемкость – количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на 1 К.

Ядерно-физические свойства.

1.А – массовое число

2.Z – заряд

3.Сечение

4.Энергия ионизации электронов

5.Электрическое сопротивление

6.Электропроводность

Важнейшим свойством у металлов является решетка или симметрия по отношению к осям и плоскостям. Совокупность свойств металлов и сплавов в значительной степени определяется структурой и свойствами кристаллической решетки.

142

При ионной, ковалентной, металлической, водородной связи образуются кристаллы. Чем сильнее ковалентная связь, тем меньше электропроводность. Вещества с ионной связью вбирают в себя и накапливают электричество.

В кристаллическом теле существуют энергетические связи между частицами, которые приводят к фиксированным положениям всех частиц тела и при этом это положение периодически повторяется, из-за чего все кристаллические тела обладают анизотропией (различие свойств в различных кристаллографических направлениях).

93. Радиационно-стимулированные дефекты кристаллической решетки. Ионизация, точечные дефекты, температурные и тепловые пики, замедляющие соударения, каскад смещений.

При действии ионизирующего излучения происходит перестановка внутренней структуры материала – радиационное повреждение. Развитие радиационного повреждения зависит от исходной структуры материала и условий облучения (тип частиц, их энергия, плотность потока, температура облучения, продолжительность).

Вкристаллической решетке реальных металлов и сплавов всегда имеются те или иные дефекты, снижающие прочностные характеристики металлов. Дефекты в кристаллической решетке бывают точечные и линейные.

К точечным относятся вакансии и межузельные атомы. Вакансии образуются при удалении атома из узла кристаллической решетки. Межузельный атом представляет собой внедренный дополнительный атом между основными атомами кристаллической решетки. Образование точечного дефекта ведет к искажению кристаллической решетки, нарушению

еепериодического строения и в конечном счете к изменению структуры металла и его свойств.

Если энергия, переданная частицей при облучении металла, недостаточна, чтобы вызвать локальное расплавление металла и дать возможность атомам обменяться местами, то локальный нагрев может вызвать как бы местную термическую обработку. Такая область называется тепловым пиком.

Вполимерных материалах облучение может вызвать ионизацию, в полупроводниках при облучении может изменяться концентрация носителей.

При высокой интенсивности облучения образуются каскады выбитых атомов – каскады смещения.

При взаимодействии с нейтронами и -квантами происходит ионизация и возбуждение атомов.

143

144

94. Радиационное формоизменение. Свеллинг, газовое распухание, радиационный рост.

1.Радиационное распухание (твердое, газовое). Твердое происходит при больших флюенсах (>1022), происходит увеличение объема тела за счет образования внутренних пустот. Газовое происходит в делящихся материалах, оно обусловлено образованием газовых пузырьков, заполненных главным образом газообразными ксеноном и криптоном, происходит уменьшение плотности тела.

2.Радиационный рост – изменение размеров без изменения объема за счет образования под действием излучения одностороннего роста кристаллических плоскостей, он присущ только анизотропным материалам.

3.Радиационная ползучесть – изменение формы без изменения объема под действием приложенного напряжения, кот. В отсутствии излучения не вызывает ползучести.

4.Радиационное охрупчивание – радиационное упрочнение материала с потерей пластичности, при незначительных флюенсах характерно практически для всех материалов.

95.Механические, теплофизические и ядерно-физические свойства металлического урана и его поведение под облучением. Сплавы

урана.

Уран92ой элемент периодической системы. Природный уран состоит из 3 изотопов: U238, U235 и U234. Содержание последних двух в природном уране составляет 0,7 и 0,005% соответственно. Все естественные изотопы урана излучают -частицы с энергией 4,21-4,76 МэВ. Период полураспада естественных изотопов U234 2,44*105 года, U235 6,85*108 года, U238 4,5*109 года. Известен ряд искусственных изотопов урана. Сечение деления около

600 барн.

На вид уран-серебристо-белый мягкий металл, который из-за имеющегося сродства с кислородом имеет высокую химическую активность, пироформен. Плотность урана 19 г/см3, температура плавления 1402 К, температура кипения 4086 К.

Уран имеет 3 аллотропические модификации: низкотемпературную - модификацию, - и -модификации. -фаза ромбическая, до 940 К. -фаза тетрагональная, до 1047 К. -фаза ОЦК, свыше 1049 К. Чистейший монокристалл -урана имеет очень высокую пластичность. Технический же уран не слишком пластичен, твёрд и хрупок. Уран относительно трудно

145

обрабатывается. На его механические характеристики существенно влияет текстура, определяемая технологией изготовления и термической обработкой. Пластичность урана существенно зависит от температуры и термической обработки. С ростом температуры прочность урана снижается, а пластичность растёт.

Механические характеристики чистого урана недостаточны для применения в ядерной энергетике, т.к. в -фазе твердость урана недостаточна и уменьшается с приближением температуры обработки к - переходу. В - фазе уран хрупок, но достаточно тверд и стабилен. -фаза в чистом уране не закрепляется, поэтому в ядерной энергетике используют сплавы урана.

Сплавы урана должны обеспечивать минимальный паразитный захват нейтронов. Сплавы должны сохранять размеры и форму при работе в реакторе и обладать высокими прочностью и пластичностью. Сплав должен быть совместим с оболочкой твэла. Диффузионное взаимодействие сплава с материалами оболочки недопустимо. Сплавы должны обладать высокой коррозионной и эрозионной стойкостью. Сплавы урана можно разделить на 2 группы: сплавы со структурой -фазы (уран с 0,4% Al, 0.5-2% Mo, 2% Zr, 0.1% Cr ) и со структурой -фазы (сплавы U-Mo, U-Zr, U-Nb, U-Zr-Nb)

Под действием Облучения происходит изменение формы и размеров изделий из урана. При температуре ниже 673 К эти явления обусловлены радиационным ростом урана. Под газовым распуханием (свеллингом) понимают изменение геометрии урана с большим уменьшением плотности. В случае радиационного роста изменение плотности минимально. Скорость радиационного роста урана достигает максимального значения при 473 К, уменьшается с дальнейшим повышением температуры и становится равной нулю при 733-773 К. Газовое распухание происходит при температуре, большей 623-773 К. Газовое распухание обусловлено образованием в уране газовых пузырьков, наполненных осколками деления, главным образом газообразным ксеноном и криптоном. Рост газового распухания при повышении температуры обусловлен уменьшением сопротивления ползучести материала с увеличением температуры. Увеличение прочностных характеристик урана при повышенной температуре и особенно характеристик сопротивления ползучести снижает газовое распухание. Это достигается легированием урана Mo, Nb, Zr. Применение конструкций, обеспечивающих сжатие ядерного горючего, также способствует уменьшению газового распухания.

146

96. Механические, теплофизические и ядерно-физические свойства плутония и его применение в ядерной энергетике.

Плутоний94ый элемент периодической системы. Наибольшее значение имеет нуклид с относительной атомной массой 239. В природе плутоний практически не встречается. Получают плутоний в процессе ядерных превращений в ядерных реакторах. Для извлечения плутония из облученного урана последний растворяют в азотной кислоте. Уран и плутоний из раствора экстрагируют органическими растворителями, при этом основная масса продуктов деления остается в водном растворе. Далее плутоний отделяют от урана. Металлический плутоний получают металлотермическим восстановлением его соединений, например галоидных. Для использования в качестве восстановителя лучше всего подходит кальций, не образующий с плутонием сплавов.

В зависимости от длительности облучения урана в реакторе могут быть получены 11 изотопов плутония с относительной атомной массой от 232 до 243 и периодами полураспада от 35 мин до 9*105 лет. Период полураспада Pu239 составляет 24060 лет, распад сопровождается - и -излучением.

Температура плавления металлического плутония 913 К, температура кипения 3500 К. В интервале температур от комнатной до температуры плавления плутоний имеет 6 аллотропических модификаций.

Аллотропические превращения, сопровождающиеся существенным изменением свойств металла, приводят к изменению формы изделий из плутония при циклических нагревах и охлаждениях.

При комнатной температуре предел прочности плутония 356 МПа, предел текучести 225 Мпа.

В результате -активности металлический плутоний в компактном виде саморазогревается.

147

Высокая химическая активность, большое число аллотропических превращений, сопровождающихся существенным изменением объема, малая пластичность -плутония усложняют технологию изготовления изделий из него. Высокая реакционная способность плутония ограничивает число тугоплавких металлов, пригодных для изготовления литейной оснастки. Наиболее пригодными для этой цели являются тантал, вольфрам, окислы или фториды кальция, окись магния. Для предотвращения окисления процесс плавки и разливки плутония необходимо проводить в условиях высокого вакуума.

148

97. Механические, теплофизические и ядерно-физические свойства тория и его применение в ядерной энергетике.

Торий - радиоактивный химический элемент семейства актиноидов с атомным номером 90, не является делящимся материалом. При облучении природного тория тепловыми нейтронами образуется U233, который можно извлечь и использовать как расщепляющийся материал.

Торий – мягкий серебристый металл. Низкотемпературная - модификация тория с ГЦК-решеткой при температуре 1673 К переходит в - модификацию с ОЦК-решеткой. Температура плавления тория 1968 К, плотность 11,71 г/см3. Природный торий состоит из практически чистого изотопа с относительной атомной массой 232. Кроме него известны еще 5 природных и 7 искусственных изотопов тория.

Чистый торий пластичен и легко деформируется в холодном состоянии. Примеси большинства элементов , особенно углерода, заметно упрочняют торий, а примеси кислорода и азота почти не влияют на механические характеристики тория. Прочность тория быстро падает с ростом температуры.

Торий более коррозионно-стоек, чем уран и плутоний. С увеличением температуры скорость окисления тория на воздухе возрастает. Легирование титаном, цирконием, бериллием повышает стойкость тория.

В жидкометаллических теплоносителях торий стоек. Загрязнение жидких металлов кислородом снижает его стойкость. Сплавы тория с ураном радиационно-стойки, хорошо сопротивляются газовому распуханию. Хорошую размерную стабильность при облучении показали и сплавы тория, легированные плутонием.

98. Керамическое ядерное топливо, его свойства и стойкость при облучении.

Соединения урана, плутония, тория с неметаллами (кислородом, углеродом, азотом и др.), имеющие высокую температуру плавления, значительную плотность горючего материала, низкое сечение захвата, стойкость в условиях облучения, обычно объединяют в одну группу – керамическое ядерное горючее. Применяемые материалы делят на 3 группы. Первая группа включает керамику на основе окислов урана, тория, плутония или их смеси. Применяют также смеси окислов делящихся и неделящихся материалов. Ко второй группе относятся неокисные керамические материалы: карбиды, нитриды, сульфиды, фосфиды и др. соединения урана, плутония, тория, их смеси, а также смеси их с другими соединениями, не содержащих

149

делящихся нуклидов. К третьей группе относятся керамические материалы, диспергированные в графитовой или иной матрице. Дисперсной фазой могут быть любое соединение урана, плутония, тория или их смеси.

Из окисных материалов самое широкое использование нашла двуокись урана. Она имеет ГЦК-решетку. Температура плавления двуокиси урана зависит от ее стехиометрического состава. Существенным недостатком является ее низкая теплопроводность. Механические свойства зависят от метода изготовления и температуры испытаний. Двуокись урана при комнатной температуре окисляется слабо, при нагреве на воздухе поглощает кислород тем интенсивнее, чем выше температура. Двуокись урана допускает высокие степени выгорания без заметного распухания и нарушения геометрических размеров твэл. При облучении снижается и без того малая теплопроводность двуокиси урана. Низкая теплопроводность и обусловленные ею высокие термические напряжения вследствие большого градиента температуры могут вызвать растрескивание.

Двуокись плутония в виде твердого раствора с двуокисью урана применяют для изготовления твэлов реакторов на быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством. Двуокись плутония трудно растворима в большинстве сред. Радиационная стойкость близка к стойкости двуокиси урана.

Двуокись тория во многом сходна с двуокисью урана. Она имеет высокую температуру плавления (3573 К) и не окисляется на воздухе. Двуокись тория – хрупкий материал, теплопроводность незначительна и уменьшается с повышением температуры, приближаясь к теплопроводности урана. Горючее

ввиде смеси двуокисей урана и тория имеет большое значение для реакторов с уран-ториевым циклом.

Монокарбид урана считают одним из перспективных ядерных материалов

всвязи с высоким содержанием в них горючего и повышенной теплопроводностью (в 8-10 раз больше, чем у двуокиси урана). Использование монокарбида урана позволяет при сохранении загрузки активной зоны увеличивать тепловыделение, снижать газовыделение и температуру в центре твэла. Изотропная кубическая структура монокарбида обеспечивает его хорошую радиационную стойкость при высокой температуре и большом выгорании. На воздухе он пироформен при температуре выше 573 К.

150