19952

Результаты экспериментальных исследований влияния деформации ползучести на выход ГПД

Лекция

Физика

Познакомить слушателей с результатами экспериментальных исследований влияния деформации ползучести на выход ГПД. Предложить диффузионно-конвективную модель для описания выхода ГПД при наличии пластической деформации. Поставить и решить стационарную задачу. Сопоставить аналитическое решение с экспериментом.

Русский

2013-08-13

59.44 KB

2 чел.

Конспект занятия 24.

Цель.

Познакомить слушателей с результатами экспериментальных исследований влияния деформации ползучести на выход ГПД. Предложить диффузионно-конвективную модель для описания выхода ГПД при наличии пластической деформации. Поставить и решить стационарную задачу. Сопоставить аналитическое решение с экспериментом.

План.

1. Результаты экспериментальных исследований влияния деформации ползучести на выход ГПД.

2. Диффузионно-конвективную модель для описания выхода ГПД при наличии пластической деформации.

3. Постановка и решение стационарной задачи.

4. Сопоставление аналитического решения с экспериментом.

В восьмидесятые годы прошлого века на ИРТ-МИФИ  выполнялась программа сотрудничества с Францией по исследованию пластических свойств ядерного топлива в радиационных условиях. Эксперименты по исследованию высокотемпературной ползучести в инициативном плане сопровождались регистрацией газов-продуктов деления (ГПД). На образцах технологии DCI, обладающих повышенной пластичностью и низкими значениями выходов ГПД, были получены нетривиальные  результаты. При малых установившихся скоростях деформации ползучести выход ГПД  был ниже стационарного выхода при отсутствии деформации и превышал его при больших скоростях.

Объяснить полученные результаты можно с помощью следующей модели:

- при высоких температурах в эксперименте (1400 К-1700 К) ГПД диффундируют в твердом теле по дефектам кристаллической решётки внутри зерна.

- в результате приложенного механического напряжения возникает направленное движение дефектов, приводящее к пластической деформации материала.

- движение ГПД описывается уравнением диффузионно-конвективного переноса.

- пластическая деформация образца в основном определяется деформацией зерна.

- эмиссия ГПД из зерна полностью определяет выход газа из поликристаллического образца в предположении, что коэффициент зернограничной диффузии значительно больше объёмного коэффициента.

- в поликристаллическом пористом образце при воздействии внешней сжимающей нагрузки на  поверхности зерна возникают зоны с деформацией сжатия (плотный контакт между зернами) и зоны с деформацией растяжения (ослабленный пористостью контакт между зернами), соответственно потоки дефектов направлены из зоны с деформацией сжатия и в зону с деформацией растяжения, в этом случае суммарный поток ГПД с поверхности зерна можно представить в виде:

                                 ,                                           (1)

где Rc  Rp -потоки газа с поверхности зерна при деформациях сжатия и растяжения. S, Sp, k=Sp/S –площадь поверхности зерна, площадь зоны растяжения, доля поверхности растяжения.

Для количественного определения выхода ГПД рассмотрим стационарное диффузионно-конвективное уравнение для полупространства с нулевыми граничными условиями, предполагая, что коэффициент диффузии весьма мал и основное падение концентрации происходит в тонком поверхностном слое  зерна:

      ,                        (2)

где N – концентрация изотопа ,d –коэффициент диффузии ,u- скорость движения дефектов, λ – постоянная распада, b – плотность источников газа.

Решение системы (2) с учётом соотношения (1) можно выразить в следующем виде:

                                 ,                                             (3)

Безразмерная скорость движения дефектов дается выражением:

                                                                                                                          (4)

Выход с поверхности зерна при V=0  равен:          

                                                                                                                  (5)                                  

Соотношение (3) дает возможность определить эффект влияния пластической деформации на выход ГПД:

W <1 при 0 <k < 0.5 и 0<V<V1   ,     W >1  при 0 <k <0.5  и  V>V1 , где

            ;    при     

Для сопоставления экспериментальных результатов с уравнением (3) выразим величину V через параметры, регистрируемые в эксперименте:

- скорость движения дефектов u пропорциональна скорости ползучести:

                                                    u~έL,                                                                        (6)

где έ – скорость ползучести, L – линейный размер зерна.

- относительный выход (отношение выходящего на внешнюю поверхность газа к образующемуся внутри объёма зерна- утечка) при u=0 определяется экспериментально и равен:

                                                   ,                                                                    (7)  

где S, υ -поверхность и объём зерна.

Используя систему уравнений (4,5,6,7) для определения V получим:

                                                                                                             (8)

В уравнении (8) выражение  в скобках порядка единицы.

Сопоставление экспериментальных результатов по выходу  88Kr с уравнением (3) при ползучести  диоксида урана в температурном интервале 1400-1800 К и механическом напряжении на образце от 0 до 40 МПа проведены с использованием стандартной программы Statistica 6, нелинейной её части. Определялся параметр к – доля поверхности  растяжения. На графике  представлены результаты сопоставления при к = 0,06. Полученное значение несколько ниже консервативной оценки [24] по соотношению:

,

где   а- величина порядка единицы, зависит от выбранной геометрии зерна (типа многогранника), ξ- доля пористости сосредоточенная по границам  зерен,  p- пористость.

Если принять а = ξ =1 (консервативная оценка), то для топлива из диоксида урана к = 0,074 - 0,17 при изменении пористости р= 0,02-0,07.

        В основу определения параметров переноса ГПД в диоксиде урана в процессе его облучения в ядерном реакторе положен весьма общий подход - феноменологическое рассмотрение процесса диффузии продуктов деления. Этот принцип изначально предполагает использование математического аппарата в однородной среде с учетом фундаментальных физических законов с последующей опорой на экспериментальные результаты для нахождения физических параметров вещества. Полученные таким образом физические параметры могут быть в последствии использованы для решения более сложных практических задач. Представленные результаты позволяют определить радиационно-стимулированные параметры переноса, существенно отличающиеся от соответствующих аналогов, получаемых вне поля облучения. Эти параметры могут быть использованы в программах расчета твэлов ядерных реакторов и при рассмотрении нестационарных явлений в твэлах.

В основу предложенной модели двухстадийного переноса ГПД включены положительные (с нашей точки зрения) качества предыдущих моделей. Предварительные расчеты показали, что использование  общего решения стационарной задачи двухстадийной диффузии в стандартной программе нелинейной статистики либо не приводит к получению однозначных результатов, либо слишком сложно для стандартной программы из-за большого количества определяемых параметров. Так для решения аналогичной задачи в работах Елмановой в 90-е годы была разработана специальная программа, которая по утверждению автора справлялась с четырьмя параметрами, но требовала дополнительных связей между параметрами, если их было более четырех, при этом расчеты проводились только с одним радиоактивным изотопом.

Представленные для обработки экспериментальные результаты по выходу ГПД из двух исследованных образцов, в зависимости от постоянной распада, весьма близко соответствовали двум частным случаям, вытекающим из аналитической модели. Аналитические решения обладают значительной неопределенностью - это сомножители, каждый из которых должен иметь собственное значение, а их произведение соответствовать экспериментально полученной величине. Любые дополнительные экспериментальные или теоретические результаты для исследуемого материала способны снизить степень неопределенности.

Сопоставление результатов расчёта с экспериментом.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9859. Мягкая модель сталинизма: власть и общество в 1964-1984гг. от стагнации к кризису 27.49 KB
  Мягкая модель сталинизма: власть и общество в 1964-1984гг. от стагнации к кризису. После смещения Н.С. Хрущева на октябрьском (1964) Пленуме ЦК КПСС Первым секретарем ЦК партии был избран Л.И. Брежнев. Новые веяния в политике начались сразу же после...
9860. Реформирование политической системы России во второй половине 19 века: земская, городская, судебная, военная реформы 60-70-х гг 38.44 KB
  Реформирование политической системы России во второй половине 19 века: земская, городская, судебная, военная реформы 60-70-х гг. Ограничение самодержавия являлось важнейшим условием перехода России к индустриальному обществу. Эта проблема была осозн...
9861. Становление рыночной экономики в постсоветской России (1992-2000 гг.) 27.92 KB
  Становление рыночной экономики в постсоветской России (1992-2000 гг.). Российская экономика требовала дальнейших преобразований. Были продолжены экономические мероприятия по переходу от командно-административных принципов к рыночной системе регулиро...
9862. Крестьянский вопрос в 19 веке: этапы его решения 28.91 KB
  Крестьянский вопрос в 19 веке: этапы его решения. Решение крестьянского вопроса являлось важнейшим условием перехода России к индустриальному обществу. Первым этот вопрос попытался решить император Павел I, издав указ о трехдневной барщине (1797). У...
9863. Становление новой российской государственности: тенденции политической жизни 1991-2000 гг 23.38 KB
  Становление новой российской государственности: тенденции политической жизни 1991-2000гг. После распада СССР начался новый период в истории России. Как суверенное государство она была образована на основании Декларации о государственном суверенитет...
9864. Общественная и духовная жизнь в России в 19 веке: русский консерватизм 33.85 KB
  Общественная и духовная жизнь в России в 19 веке: русский консерватизм. Понятие альтернатива (от латинского altemare - чередоваться) означает каждая из исключающих друг друга возможностей. Тем самым предполагается наличие различных точек зрения на о...
9865. СССР и международный кризис 1939-1941 гг. 28.17 KB
  СССР и международный кризис 1939-1941 гг. Вторая мировая война началась 1 сентября 1939 г. - фашистская Германия напала на Польшу, Англия и Франция объявили войну Германии. Как и в Первую мировую войну, воевали между собой две коалиции капиталистиче...
9866. Общественная и духовная жизнь России в 19 веке. Русский либерализм 31.7 KB
  Общественная и духовная жизнь России в 19 веке. Русский либерализм. Либерализм был изначально продуктом западной цивилизации, построенной на индивидуализме и рациональном познании мира. Истоки западного либерализма следует искать в античном наследии...
9867. Информационные ресурсы местного самоуправления в регионе 101 KB
  Развитие торговли, которая становится основой жизни городских общин Германии в IX-XI вв., вызвало потребность не только охраны от внешних врагов, но и защиты свободы и независимости от местных феодалов, внутренней самоорганизации и самоуправления. Так, экономическое развитие обуславливает становление свободных общин...