Тенишев лекции (незащищенный фаил) KiFM_2014

Понятие о топливных материалах

Топливные материалы - вещества, которые содержат делящиеся нуклиды, а также целый ряд других материалов, которые обеспечивают высокую работоспособность ЯТ.

Делящиеся нуклиды: 235U, 233U, 239Pu. Наиболее распространены: 235U, 239Pu ЯТ обязательно содержит сырьевые (воспроизводящие) нуклиды: 238U, 232Th

наряду с 233U во второй реакции образуется 232U, который, распадаясь, образует γ-активные ядра (212Bi, 208Te), затрудняющие обращение с ЯТ, поэтому этот цикл практически не используется.

В ЯТ также содержатся легирующие элементы (Л.Э.), чтобы придать топливу необходимые физические и химические свойства, повысить стойкость к излучению. ЛЭ: O, C, N, Si, Al, Fe, Cr, Zr, Mo, Nb

ВПН (Gd, B, Er) выгорающий поглотитель нейтронов – вещество с большим сечением захвата нейтронов, выгорающие быстрее или с той же скоростью, что и делящиеся нуклиды, что позволяет скомпенсировать избыток тепловых нейтронов в начале топливной кампании и позволяет увеличить глубину выгорания топлива.

Классификация ядерного топлива

По обогащению:

Топливо на природном уране. Используется очень редко, т.к. не позволяет достичь большую глубину выгорания

Топливо на обогащенном уране.

РБМК – 1,8% 235U ВВЭР – 3,5-4,2% 235U

Реакторы на быстрых нейтронах – 235U

По виду делящегося и воспроизводящего нуклида:

U-Pu топливо. Топливо для БН. Экономически выгодно и целесообразно, т.к. возможно расширенное воспроизводство ЯТ. Содержит 15-30% Pu; в этом топливе делится только Pu, а U – воспроизводящий нуклид(природный, отработанный). Так же используется в тепловых реакторах для сжигания запасов оружейного плутония, содержание 239Pu до 5 мас. %.

U-Th – топливо. Делится U, а Th – воспроизводящий нуклид. Используется редко из-за жесткого гамма-излучения.

Классификация ядерного топлива

По агрегатному состоянию:

1.Твердое. Наиболее распространено, в основном, в виде диоксида урана.

2.Жидкое. Сплавы плутония (Тпл ≈ 440 ºC) и его соли, которые планируется использовать в жидком виде в гомогенных реакторах, что позволило бы существенно улучшить радиационную стойкость топлива, однако эти расплавы являются химически агрессивными, что сдерживает их использование.

3.Газообразное. UF6 используется для обогащения, хранения и транспортировки U. Температура перехода в газообразное состояние - 56,5ºС. Непосредственно в реакторах не используется из-за высокой химической активности.

4.Дисперсное. Очень надежное. Высокое обогащение (до 90% 235U) и выгорание. Используется в исследовательских и транспортных реакторах.

5.Микротвэльное. Микросферы топлива диаметром ~500 мкм с защитными покрытиями из пироуглерода, которые предотвращают выход продуктов деления из топлива.

Особенности ядерного топлива (ЯТ)

1. Чрезвычайно высокая калорийность. Выгорание 1г 235U эквивалентно сжиганию 3т качественного угля – это позволяет свести к минимуму транспортные расходы по доставке урана.

2. При выгорании ЯТ происходит его воспроизводство.

КВ количество образовавшегося топлива количество разделившегося топлива

ВВЭР – КВ = 0,5-0,6 ГГР – КВ = 0,8-0,9

БН – КВ до1,5 (т.е. на 1 т загруженного урана 1,5 т. выгружаемого плутония) это при использовании U-Pu топливного цикла. На обогащенном уране в БН КВ<1!

3.ЯТ может выгорать до размеров критической массы. Однако, как правило, оно выгорает меньше. В БР – 10 % т.а., ВВЭР – 4-5% т.а. - это связано не с физикой нейтронов, а с распуханием и накоплением продуктов деления.

4.ЯТ обладает высокой чистотой по примесям, чтобы уменьшить бесполезную потерю нейтронов.

5.ЯТ можно использовать многократно после его регенерации (удаления продуктов деления и добавления делящихся нуклидов).

6.ЯТ радиоактивно и требует особой предосторожности при обращении с ним

7.При выгорании ЯТ не происходит потребление кислорода (важно для подводных лодок и космических аппаратов).

Процессы в ЯТ при его выгорании

Выгорание – расход делящихся нуклидов. Обозначение: Β Размерности: [дел./см3], [% т.а. (тяжелых атомов)], [МВт*сут/т ТМ], [г ПД/см3]

Высокая температура: меняет механические свойства ЯТ, ускоряет диффузионные процессы и увеличивает степень физико-химического взаимодействия как с оболочкой твэла, так и с теплоносителем в случае разгерметизации твэла.

Накопление продуктов деления (ПД): зашлаковывание ЯТ (накопление продуктов деления, которые бесполезно поглощают нейтроны, например

149Sm), отравление Xe или «йодная яма» (T1/2 от Те до Cs ~ 16 ч.), распухание, изменение состава ЯТ, физико-химическе взаимодействие с

оболочкой твэла (коррозия, возможное растрескивание), снижение теплопроводности ЯТ и т.д.

Радиационные повреждения топлива осколками деления (энергия осколка ~90 МэВ): термические пики, дефекты кристаллической решетки, каскады смещений, ускорение диффузии, гомогенизация, радиационная ползучесть. Транспортные процессы: изменение структуры, состава и свойств ЯТ.

Механическое взаимодействие топлива с оболочкой твэла.

Требования к ЯТ

1. Высокие ядерно-физические свойства, т.е. минимальное паразитное сечение захвата тепловых нейтронов.

2.Высокая радиационная стабильность, т.е. максимальное сопротивление изменению формы и объема в процессе эксплуатации.

3.Высокая теплопроводность, что позволяет увеличить диаметр топливных сердечников, снизить объемную долю конструкционных материалов в АЗ и увеличить КПД реактора.

4.Высокая температура плавления, что обеспечивает повышенную безопасность работы реактора в переходных режимах и в аварийных условиях.

5.Отсутствие фазовых переходов в области рабочих температур, так как они обычно сопровождаются изменением размеров (формы) топливных сердечников, а так же при этом изменяются исходные свойства топлива.

6.Хорошая совместимость с материалом оболочки, т.е. отсутствие физикохимического взаимодействия в рабочих условиях в течение кампании топлива.

7.Высокая коррозионная стойкость в теплоносителе.

8.Высокая плотность и высокое удельное содержание делящихся нуклидов в единице объема, что позволяет повысить коэффициент воспроизводства (КВ), а так же сократить размер АЗ.

9.Высокая теплоемкость, что определяет скорости изменения температуры в АЗ при переходных режимах.

10.Технологичность производства и минимальная стоимость.

Металлическое ЯТ

Относят: металлические U, Pu и их сплавы

Достоинства: высокая теплопроводность (позволяет использовать топливные сердечники достаточно большего диаметра), высокая плотность (получение высокого КВ), простая технология.

Недостатки: низкая радиационная стабильность, т.е. склонность к радиационному росту и распуханию, что не позволяет получить большие глубины выгорания. Плохая совместимость с конструкционными материалами, т.е. при высоких температурах имеет место физикохимическое взаимодействие с оболочкой твэла, например:U+Al=> UAlx => охрупчивание оболочки. Низкая коррозионная стойкость во многих теплоносителях (особенно в воде)

U и его сплавы

Природная смесь изотопов урана содержит три нуклида 238U (99,2745 %), 235U (0,7200 %) и 234U (0,0055 %). Среднее содержание 235U в различных урановых рудах составляет 0,711 %. Искусственным путем получено одиннадцать нуклидов урана с массовыми числами от 227 до 240.

Содержание примесей в уране используемом в ядерной энергетике < 0,1 %

Металлическое ЯТ. Свойства урана.

Ядерно-физические свойства урана

Кристаллическая структура урана

Металлическое ЯТ. Свойства урана.