35830

Свойства Плутония

Шпаргалка

Химия и фармакология

это основной вид топлива для различных реакторов; соединение урана и плутония с неметаллами: кислородом азотом угреродом; Такие соединения имеют: 1. =1097 г =117 г =1342 г =1432 г Чем выше плотность ядерного топлива тем выше коэффициент воспроизводства. В достехиометрических оксидах смешанного топлива может быть . Сравнительные свойства оксидного и других видов керамического ядерного топлива Соединение Решетка Теоретическая плотность г см3 Тпл К Содерж.

Русский

2013-09-20

1.08 MB

22 чел.

Свойства Плутония.

Изотопный состав:16 изотопов.

Основные :        

Период полураспада.

- 89,6 года             сильный альфа-излучатель

- 2,44· лет     высокие сечения деления

- 6,6  лет     не делится нейтронами

- 13,2 года       высокое сечение деления >

-380 лет        не делится нейтронами

(имеет жесткое нейтронное и гамма-излучение)

Длительные выдержки регенерированного плутония невыгодны.

Высокофоновой плутоний – плутоний, извлекаемый из тепловых реакторов.

Низкофоновой плутоний – извлекаемый из быстрых реакторов.

Изотопный состав плутония различается в зависимости от типа реактора.

ВВЭР

БР

65%

25%

8%

2%

75,6-89,0%

9,7-19,5%

1,2-4,5%

0,007-0,5%

Оружейный плутоний содержит 5 – 6 % .

Из энергетичного плутония ядерное оружие получить невозможно.

При нагреве плутоний испытывает ряд полиморфных превращений ( = 640˚С):

Плутоний находится в сильно напряженном состоянии, поэтому происходит растрескивание металла.


- плотность плутония высокого качества.

Если несколько раз плутоний нагреть и охладить, то он развалится на мелкие фрагменты, поэтому получать из него изделия сложно.

Все фазы плутония, кроме  и , имеют сложные кристаллический решетки, то есть они обладют сильной анизотропией и под облучением подвергаются радиационному росту.

 - ГЦК (гранецентричная кубическая решетка)

– ОЦК

Плутоний имеет низкую теплопроводность:

При t = 40˚ -        (для)

При t = 105˚  -  
Механические свойства:
- очень хрупкая фаза

При t = 100˚C    = 294,6МПа

При t = 130˚C  = 84,6МПа

Другие фазы также высокопластичны и обладают низкой прочностью.

Влияние облучения.

- значительный радиационный рост и газовое распухание. После 44 циклов изменения температуры сердечники из плутония полностью разваливаются.

Сплавы плутония

1.

Путем легирования Pu :AL, Zr,Hf, Ti,Ga  удается фиксировать  Pu.

Такие сплавы используют для ядерного оружия, так как его удобно обрабатывать.

В ядерной энергетике его не используют так как концентрация делящегося нуклида очень велика.

2. Жидкие сплавы Pu.

При добавлении в Pu : Fe, Co, Ni температура плавления уменьшается и равна 430-450˚С.

Выше этой температуры сплавы находятся в жидком состоянии. Их используют в гомогенных реакторах, так как не нужны ТВЭЛы.Они не распухают следовательно  глубина выгорания довольно высока.

3.Сплавы U-Pu.

Можно получить высокий КВ, но только в БР. Но у таких сплавов низкая радиационная стабильность.

Сплавы обладающие высокой радиационной стабильностью:

U – (15-20%) Pu – 10% Zr

U – (15-20% )Pu – 19% Zr

U – 20% Pu – 20% HO

Из-за большого кол-ва добавок не используются в тепловых реакторах, так как требуется высокое обогащение, а у сплавов низкая глубина выгорания.

4.UPuFs.

Все сплавы, за исключением , не используются. Плутоний в ЯР используется в виде оксида.

Керамическое ядерное топливо.

-это основной вид топлива для различных реакторов;

-соединение урана и плутония с неметаллами: кислородом, азотом, угреродом;

Такие соединения имеют:

1.Высокосимметричные кубические решетки, сл. Не подвержены радиационному росту и имеют высокое сопротивление распуханию.

2. Высокие температуры плавлений.

UC - 2490˚C

UN - 2830˚C

3.Вплоть до температуры плавления, кроме , не испытывают полиморфных превращений.

4. =10,97 г/

=11,7 г/

=13,42 г/

=14,32 г/

Чем выше плотность ядерного топлива, тем выше коэффициент воспроизводства.

5.Высокая совместимость с материалами АЗ, то есть отсутствие физико-химического взаимодействия, особенно с

6.Хорошая совместимость с т.н., с водой, газами.

Отрицательные характеристики:

1.Низкое удельное содержание U И PU в ед.обьеме (по сравнению с металлическим топливом), то есть необходимо увеличить размер АЗ.

2.

3.Сложная техника получения (кроме )

4. UNвысокое сечение захвата нейтронов ()

Оксидное ЯТ.()

Используется во всех типах реакторов, кроме газографитового.

Физико-химические св-ва.

-твердый раствор диоксида Pu в диоксиде U.

- фазы переменного состава

, может быть как дефицит так и избыток кислорода по сравнению с

 

,то есть   - целое число и равно 2.

, - застехиометрические оксиды.

, - достехиометрические оксиды.

В достехиометрических оксидах при дефиците кислорода в его решетке имеются вакансии.

В достехиометрических оксидах смешанного топлива может быть ,,.

В застехиометрических оксидах избыток кислорода и атомы кислорода влезают в межузлия кристаллических решеток

:     ,,,

:,,,

Таким образом сохраняется требование электронейтральности.

Сравнительные свойства оксидного и других видов

керамического ядерного топлива

Соединение

Решетка

Теоретическая плотность, г/см3

Тпл,

К

Содерж. U и Pu

Сечен. захв. немет. элем., барн

Тип

Параметры, нм

мас.%

г/см3

UO2

Кубич. типа CaF2

a = 0,54704

10,97

3140

88,2

9,68

0,0002

PuO2

Кубич. типа CaF2

а = 0,539

11,46

2510

88,0

10,11

0,0002

UC

Кубич. типа NaCl

а = 0,4961

13,63

2640

95,2

13,0

0,0032

UC2

Тетрагональная типа CaC2 до 2100 К;

выше 2100 К –

кубич. типа CaF2

а = 0,3524

c = 0,5999

а = 0,545

11,68

2740

90,8

10,60

0,0032

PuC

Кубич. типа NaCl

а = 0,497

13,60

2120

95,0

12,91

0,0032

UN

Кубич. типа NaCl

а = 0,48891

14,32

3120

94,4

13,50

1,88

PuN

То же

а = 0,4905

14,23

-

94,5

13,92

1,88

USi

То же

а = 0,54905

10,87

2720

88,1

9,60

0,0005

Важной особенностью оксидного топлива является то, что его различные виды относятся к нестехиометрическим оксидам и в зависимости от температуры, парциального давления кислорода в окружающей газовой среде и выгорания в них, в широких пределах, изменяется содержание кислорода в кристаллической решетке, характеризуемое отношением количества атомов кислорода к количеству атомов металла в оксиде (отношение О/М) или степенью нестехиометрии, определяемой как х = О/М – 2. Для застехиометрического топлива х имеет положительное значение, а для достехиометрического – отрицательное. Поэтому химическая формула нестехиометрического топливного оксида имеет вид МОх, где М – U, Pu или (U+Pu).

Кислородный потенциал.

От величины кислородного потенциала зависит химическое состояние продуктов деления оксидного топлива, физические свойства, характер взаимодействия топлива с оболочкой тела.

=R T ln – кислородный потенциал, кДж/моль.

- равновесное парциальное давление кислорода над оксидом.

Величина   зависит от величины нестехиометрии х.

При увеличении температуры   увеличится.

Введение в  Pu увеличит , т.о. МОХ – топливо имеет более высокий , чем .

От  ()

Диаграмма состояния системы уран–кислород. Система уран-кислород является одной из наиболее сложных. Она содержит, по крайней мере, 10 оксидных фаз, многие из которых имеют по несколько полиморфных модификаций. Хотя эта система исследовалась во многих работах, все еще имеются расхождения в интерпретации отдельных частей ее диаграммы состояния.

Три оксида урана – диоксид UO2, закись-окись U3O8 и триоксид UO3 известны уже более ста лет. Исследования последних лет показали, что возможно существование монооксида UO, а также таких соединений урана с кислородом, как U4O9, U3O7, U2O5, и что эти соединения, как и три ранее известных оксида, не являются стехиометрическими, и в действительности существует разнообразие нестехиометрических форм. Было показано существование в системе UO нескольких фаз UO, UO2, U4O9, U3O7, U3O8, -UO3, -UO3.

Физические свойства диоксида урана.

Получение оксидного топлива.

Оксидное топливо, как правило имеет повышенную концентрацию ,по сравнению с природным ураном.то есть в современном ЯР используют ЯТ, обогащенное по изотопу .

единственное соединение урана, которое легко перевести в газообразное состояние, которое используется для обогащения.

Обогащение проводится на газодиффузионных  или центрифужных заводах (более перспективны).

В России только центрифужные заводы.На них можно получить любую степень обогащения.

(гексафторид) содержат в контейнерах. Их нагревают и гексафторид превращается в газ.

прессование таблеток керамического ядерного топлива (плотность по обьему  одинакова) спекание в  , 1700˚С, в печах шлифовка таблеток (необходима для получения точно заданного зазора между топливным столбом и оболочкой ТВЭЛа)

- на заводе получают такие таблетки с незначительным отклонением от стехиометрии.

При производстве смешанного топлива:

(U,Pu)- таблетки имеют достехиометричный состав.

При таком составе меньше интенсивность взаимодействия продуктов деления с оболочкой ТВЕЛа БР.

Диаметры таблеток:

РБМК

ВВЭР-440

ВВЭР-1000

БР

11,52 мм

7,53 мм

7,58 мм

5,95 мм

Таке различие обусловлено тем, что эти реакторы имеют различную напряженность АЗ и различную линейную  мощность ТВЭЛа [Вт/ см].

Тепловые реакторы : 150 – 250 Вт / см.

БР: значительно более высокая линейная  мощность.

Все таблетки должны иметь остаточную пористость, равномерно распределенную по обьему таблетки.В порах таблеток происходит аккумуляция твердых и газообразных продуктов деления и наличие пор уменьшает распухание топлива.

Обычно в реакторах ВВЭР таблетки имеют плотность:  = 96%ТП (теоретическая плотность), то есть 4% пор – это строго нормированная величина (возможны небольшие отклонения).

В БР в зависимости от глубины выгорания:  = 92 - 94 % ТП – здесь больше пор, сл. Можно получить большую глубину выгорания без заметного распухания топлива.

Свойства:

U-Pu топливо дает больший КВ, чем U- Топливо, поэтому в БР используют UPU топливо.

2,6   - (U,Pu)      КВ = 1,15

2,0  -              КВ

Сл. Теоретически КВ  в БР может быть 1,6 (1 нейтрон на поддержание цепной реакции деления 2,6-1=1,6), но на самом деле часть нейтронов теряется, сл. КВ 1,6. Но в БР КВ  - это расширенное воспроизводство ЯТ.

температура плавления равна 2847 С.

Для Pu     - 2390

Поэтому введение Pu в U снижает температуру плавления U-Pu топлива. Температура плавления смешанного U-Pu топлива зависит от концентрации Pu: чем выше концентрация Pu, тем ниже температура плавления смеси топлива.

Выгорание топлива ведет к уменьшению температуры плавления.

Принято считать, что при выгорании  100 ГВт·сут/ т   топлива снижается на 100˚.Это обусловлено накоплением продуктов деления в топливе при выгорании.

Испарение оксидного топлива.

Оксидное топлива работает  при повышенных температурах.

Топливный столб набираемый из таблеток.:

Т.к. отвод тепла идет по краям  распределение температуры параболическое.

Основные закономерности испарения:

Испарение : O (атомнарный кислород),,U,,- компоненты пара.

Испарение  неконгруэнтный характер, то есть состав паровой и твердой фаз является неодинаковыми.

Было показано, что при испарении  состав стремится к .

При Т = 2600 ˚С  конгруэнтно испаряющийся состав  составляет

Испарение смешанного U-PU топлива.

В паровой фазе над этим топливным оксидом присутствуют: O, ,U,,, Pu,  

При испарении (UPu)  твердая фаза обогащается Pu. При испарении (UPu)  твердая фаза обогащается U/

Происходит перераспределение Pu  центральная часть может расплавится.

Теплопроводность оксидного топлива.

Основной вклад в теплопроводность вносит фононная составляющая (фонон – квант энергии колебаний решетки), электронная и радиационная составляющие.

Факторы влияющие на телопроводность :

1.температура .

Теплопроводность UO2: 1 – фононная составляющая теплопроводности UO2; 2 – электронная составляющая теплопроводности UO2; 3 – полная теплопроводность UO2

При T  появляются электронная составляющая и излучение.

Для диоксида урана λ возрастает  после 1700˚С.

2. Нестехиометрия.

Температурная зависимость теплопроводности UO2+x от нестехиометрии (0 ≤ x ≤ 0,102)

Максимальной λ обладает U  стехиометричного состава.Отклонение от стехиометричности вызывает снижение λ.

3.Пористость.

Зависимость теплопроводности диоксида урана от плотности

Максимальной λ обладает диоксид урана со 100% плотностью, то есть при отсутствии пор. Но при  = 100% происходит быстрое распухание, поэтому изготавливют с  = 96 % и пористостью 4%.

Введение , Pu  снижает  (UPu)

Отклонение от стехиометрии смешанных оксидов как с области «до», так и «за» снижает λ.

Зависимость теплопроводности смешанного оксида (U0,8Pu0,2)Oxот температуры и нестехиометрии

С ростом t  λ падает.

Чем больше , Pu , тем ниже λ.

Перестройка структуры оксидного топлива при выгорании.

Схематическое изображение эволюции структуры МОХ-топлива в процессе его выгорания (сектор I – исходная структура; сектор II – растрескивание топлива при выходе реактора на мощность; секторы IV и IX – трещины в структуре топлива после остановки реактора; секторы III и VVIII – структура топлива при указанных выгораниях)

Влияние выгорания на кислородный потенциал, степень окисления молибдена и валентность плутония в МОХ-топливе состава (U0,85,Pu0,151,96

При выходе на мощность реактора, когда увеличивается линейная мощность ТВЭЛа ( кол-во тепла с 1 см ТВЭЛа) 70Вт/ см происходит образование трещин в таблетке.При линейной мощности 250 Вт/см происходит фрагментация таблетки, то есть разделение ее а мелкие части, а при 300 Вт/см происходит смещение фрагментов относительно друг друга. При более высокой линйной мощности происходит перестройка структуры таблеток: в центре образуется отверстие (центральный канал) и длинные кристаллы (солнечная структура), потом идет зона крупных расноосных кристаллов, на периферии сохраняется зона исходных кристаллов.

Между границами зерен температура 1325 – 1650 (исходные – крупные), 1725 – 1850 (крупные - столбчатые)

Центральный канал образуется из-за миграции пор под воздействием механизма испарение- конденсация.Миграция пор идет только из зоны столбчатых кристаллов.

Перестройка структуры происходит в начальный момент выгорания топлива, в первые часы или дни.

Схематическое изображение перемещения линзообразной поры в оксидном топливе при наличии градиента температуры (δ – шиирна поры;  vp – скорость поры;  J – поток молекул матрицы

Вследствие высоких температур в окрестности поры возникает градиент температур.В зоне столбчатых кристаллов происходит миграция пор по механизму испарение – конденсация: испарение топлива на более горячей и осаждение на более холодной. Поры перемещаются к центру и образуется центральное отверстие. При движении пор, края последних образуют границы столбчатых зерен. Перестройка структуры зависит от линейной мощности ТВЭЛа. У ВВЭР   1000˚С таблетки не меняют структуру, происходит только фрагментация. В БР   2000˚С идет перестройка структуры.

Если выгорание В  / сут · т, то происходит образование краевой зоны.С увеличение глубины выгорания толщина КЗ возрастает.

Характеристики rim – зоны:

1.Имеет высокую концентрацию мелких пор.

2.Сильное измельчение зерен.

3.Концентрация PU  выше чем в среднем по таблетке.

4.Концентрация продуктов деления выше, чем по таблетке, вследствие более глубокого выгорания топлива в КЗ.

Наличие резонансного максимума Коэффициент Выгорания выше и в области тепловых нейтронов.

Механические свойства оксидного топлива.

Зависимости пределов прочности и упругости и величины общей пластической деформации диоксида урана от температуры

Увеличение  обусловлено тем, что при охлаждении в таблетке увеличиваются напряжения, а при нагреве уменьшаются.

В керамических материалах при высоких температурах возникает хрупко-пластичный переход, при t еше выше керамика становится еще пластичней и увеличивается

Модель механического состояния оксидного топливного сердечника твэла при облучении его в реакторе. Топливо делится радиально на зоны, соответствующие хрупкому, полухрупкому и пластичному состояниям материала: 1 – внешнее кольцо с трещинами; 2 – соединяющее кольцо; 3 – оболочка; 4 – область пластического поведения

Хрупкая область содержит много трещин, это плохо, так как при их образовании усиливается образование газообразных продуктов деления. Чем больше хрупкая область , тем больше выделение ГПД в активную область твела.

Увеличение распухания вызвано радиационной ползучестью.

Радиационная ползучесть топлива.

Образуются пузырьки газа. Давление газа в пузырьках ограничивается поверхностным натяжением топлива.

Ползучесть – пластичная деформация по влиянием нагрузки и температуры.

ависимость скорости термической ползучести диоксида урана от температуры и влияние на нее облучения

Скорость термической ползучести маленькая.

При Т 1200 ˚ С скорость ползучести топлива не зависит от температуры, а от облучения и сильно распухание.Поэтому несмотря на то, что переферия хрупкая, она подвержена радиационной ползучести, то есть распухание топлива.

Доспекание оксидного топлива

На начальной стадии выгорание топлива до 5000 В результате доспекания уменьшается диаметр топливного столба и высота, слеl-но увеличивается зазор топливо-оболочка, ухудшается т.о. между твэлом т.н., увеличивается температура топливного столба, следовательно дополнительное выделение ГПД(Xe, Kr). Явление радиационного доспекания ограничивает начальную мощность реактора.

Влияние облучения на распределение пор по размерам в нестабильном оксидном топливе. Распределение пористости в нестабильном топливе: 1 – исходная пористость; 2 – начальное уплотнение; 3 – дальнейшее уплотнение; 4 – конечная пористость

Распределение пор может меняться в зависимости от технологии. Но все равно есть мелкие и крупные поры.

90 МэВ осколка деления тратиться на соударение с атомами урана и происходит разогрев топлива и поэтому по его пути возникает термический пик, там температура , но существует очень недолго  В этой области получается топливо в жидком и газообразном состоянии под высоким давлением. И пора заполняется жидким топливом и мелкие поры уходят => Количество мелких пор в результате выгорания уменьшается, но только на начальной стадии. Это и есть причина радиационного доспекания топлива, т.к. площадь увеличивается.

Устойчивость мелких пор зависит от давления ГПД внутри пор, чем больше давление, тем больше стабилизация пор.

Доспекание ЯТ зависит от:

  1.  Исходной плотности топлива. Она не должна быть слишком низкой
  2.  Размеров пор. Доминирование крупных пор, размером более 2-3мкм уменьшает радиационное доспекание
  3.  Размера зерен ЯТ. Чем больше размеры ЯТ, тем меньше доспекание. Размеры зерен д.б. >10 мкм

Топливо, имеющее такие хар-ки называется термически стабильным.

Полностью избежать  доспекания не удается. Всегда существуют мелкие поры, но их количество может меняться.

Перераспределение кислорода и Pu в оксидном смешанном U-Pu топливе БР

1.Перераспределение .

В ЯТ высокие температуры и градиенты температур  на мм по радиусу, таблетки являются движущей силой, вызывающей перераспределение

Радиальное перераспределение кислорода в МОХ-топливе с различными начальными значениями О/М

Достехиом. Топливо.

Распределение, содержащее О по всей таблетке одинаково. При выгорании начинается миграция кислорода от центра к периферии.

Застехиом. Топливо.

О мигрирует от края к центру.

Это приводит к градиенту концентрации кислорода по радиусу топливного столба => Градиент свойств. Это ухудшает рабочие характеристики топлива, это надо учесть при эксплуатации а.з.

2.Перераспределение Pu

Радиальное перераспределение плутония в МОХ-топливе с 30 % PuO2 и различными исходными значениями О/М в твэлах с разной линейной мощностью

Увеличение концентрации плутония вблизи центральной полости приводит к росту температуры в ее окрестности. Для того, чтобы она не превышала температуру плавления смешанного оксида, линейная мощность твэла должна быть уменьшена на величину, доходящую до 130 Вт/см, что означает ухудшение тепловых характеристик топлива на ~25 %.

Перенос актиноидов в оксидных сердечниках твэлов быстрых реакторов осуществляется главным образом в результате миграции пор. Основными механизмами, вызывающими миграцию поры, являются поверхностная диффузия и массоперенос вещества за счет механизма испарение – конденсация в поле градиента температур.

При наличии градиента температуры в поре более летучий актиноид испаряется в большем количестве на горячей стороне поры и конденсируется на холодной. В результате, концентрация менее летучей компоненты на холодной стороне поры уменьшается и увеличивается на горячей. После начального нестационарного периода при движении поры происходит незначительное разделение актиноидов. Начальный избыток более летучего компонента оксида остается в точке начала движения поры, а избыток менее летучей компоненты движется вперед вместе с порой. Перераспределение, связанное с миграцией пор, заключается в довольно однородном обеднении плутонием всей области столбчатых зерен и сильном обогащении плутонием области вблизи центральной полости, где все поры оставляют избыточный плутоний. Отрицательные пики концентрации плутония в точках начала движения каждой из пор равномерно распределены по топливу вследствие того, что исходная пористость также распределена в нем беспорядочно.

Перераспределение актиноидов, связанное с движением пор, прекращается, как только все поры достигнут центральной полости. В твэлах с высокой удельной мощностью этот процесс заканчивается примерно через 100 часов.

Pu равномерно распределен. Наличие градиента вызывает перераспределение Pu только в зоне столбчатых кристаллов. В центре концентрация увеличивается, что вызывает разогрев топлива, а также влияет на коэфф. Доплера, что влияет на коэфф. размножения.

Перераспределение Pu вызвано неконгруэнтным характером испарения топлива в порах, находящихся в хоне столбчатых кристаллов.

Перераспределение Pu:

  1.  Увеличение температуры центральной части топливного столба
  2.  Влияет на коэфф. Доплера.

Выход основных продуктов деления на быстрых нейтронах

(включены элементы, выход которых составляет более 1 %)

Химическая группа

элементов

Выход элементов

U235

Pu239

Zr + Nb

0,298

0,204

Y + другие редкие земли

0,534

0,471

Ba + Sr

0,149

0,096

Mo

0,240

0,203

Ru +Tc + Rh + Pd

0,263

0,516

Cs + Rb

0,226

0,189

I + Te

0,012

0,070

Xe + Kr

0,251

0,248

Выходы благородных металлов (рения, технеция, родия и палладия) в случае деления плутония в два раза выше, чем в случае деления урана. В то же время при делении урана больше выход таких элементов, как цирконий, молибден и иттрий. Этот сдвиг по составу дает существенное различие в химическом поведении облученного топлива, т.к. благородные металлы не взаимодействуют с кислородом, тогда как цирконий, молибден и иттрий могут окисляться и связывать тем самым кислород, образующийся при делении урана или плутония. Выход продуктов деления при выгорании смешанного оксидного топлива находится между значениями выхода для урана и плутония

Химическое и физическое состояние ПД в ЯТ.

Образование и накопление ПД в ЯТ

При делении ядер U и Pu образуются два осколка деления и освобождается много Е.

Спектр ПД, образовавшихся при делении U и Pu неодинаков.

При делении Pu  больше выходит Ru, Rh, Pd, Te – благородные редкоземельные металлы

При делении U больше выходит : Nb, X, Zr

Ru, Rh, Pd, Te – слабо окисляются

Nb, X, Zr – сильно окисляются

Физическое состояние ПД в ЯТ

По отношению к физико-химическому взаимоотношению с матрицей ПД подразделяются:

  1.  ПД растворимые в топливе(лантаноиды, Zr, La)
  2.  ПД нерастворимые в топливе и образующие самостоятельные оксидные фазы(ZrBaO3, ZrSnO3)
  3.  ПД, образующие металлические фазы ( Pu, Rh, Pd, Te и Мо) в виде сплавов этих эл-ов
  4.  Легколетучие ПД: Rb, Cs, Te,I
  5.  Газообразные ПД: Xe, Kr
  6.  Осколочный молибден либо в металлическом состоянии, либо в виде оксида.

Химическое состояние ПД

Когда осколок деления находится в оксидном топливе, происходит взаимодействие:

Зависимость свободной энергии Гиббса образования оксидов продуктов деления, а так же кислородного потенциала UOx и (U,Pu)Ox от температуры

Если свободная Е образования осколка деления меньше кислородного потенциала топлива при заданной температуре, то это ПД присутствуют в топливе только в виде оксида. Если наоборот, то это ПД присутствуют только в металлическом состоянии.

ПД взаимодействуют между собой, их химия очень схожая.

Осколочный Cs, выход которого в 2 раза больше выхода I, образует соединение CsI. Также образутся

CsI причина выхода из строя твелов, т.к. CsI рассеивается, образуется I(газ) => растрескивание(коррозионное) Zr  оболочек твэла.

Миграция и распределение продуктов деления в оксидном топливе.

Легколетучие ПД концентрируются в зазоре топливо-оболочка. Это Cs, J и т.п.

Металлическая фаза располагается по границе зерен: сплав: Mo с Ru, Rh,Pd,Te

Оксидные соединения располагаются по границе крупных столбчатых кристаллов(BaZrO3, SrZrO3)

В холодной хрупкой области, ПД присутствуют в атомарном состоянии и не образуют самостоятельных фаз.

Изменение кислородного потенциала топлива при выгорании

При распаде топлива образуется избыточный кислород, т.к. не все ПД могут бразовать оксиды. Этот О2 растворяется в матрице топлива и его концентрация все время растет => кислородный потенциал тоже увеличивается. По мере выгорания увеличивается нестехиометрия, пока не будет достигнуто (U,Pu)O2.00, потом происходит скачок  и выходит на const, т.к. при увеличении нестехиометрии более 2.00 начинается окисление осколочного молибдена. В области достехиметрии осколочный Mo находится в металлическом состоянии. Потом кислородный  потенциал повышается и Mo начинает окислятся.

На оболочке твэла есть кислотный потенциал, если он меньше  топлива, то оболочка будет окисляться(ВВЭР)

Интеркристаллитная коррозия оболочки твэла БР из нержавеющей стали продуктами  деления.

Два вида взаимодействия с оболочкой твэла:

Равномерная коррозия не представляет особой опасности.                                              Интеркристаллитная коррозия-  идет по границам зерен и образуются  глубокие зоны                 интеркристаллитной коррозии. Они идентичны надрезам, что снижает механические свойства твэла. Она зависит от температуры,  или , глубины выгорания.

Достехиометрические смешанные оксиды существенно меньше подвержены интеркристаллитной коррозии. Поэтому в БР используется (U, Pu)

Интеркристаллитная коррозия  возрастает с ростом глубины выгорания до 50000

Потом она практически не меняется на эту коррозию влияет Cs, I, Te

Зависимость глубины межкристаллитной коррозии оболочки из коррозионно-стойкой стали твэла быстрого реактора с сердечником из МОХ-топлива от: а – величины нестехиометрии; б – температуры облучения; в – глубины выгорания

Распухание ЯТ(оксидного) и выделение газообразных ПД

Xe и Kr ухудшают теплоемкость. Распухание ЯТ обусловлено:

1. накоплением твердых ПД, которые имеют меньшую плотность чем оксидное топливо.

2. газовое распухание.

Твердое распухание зависит от:

  1.  Глубины выгорания топлива
  2.  От плотности топлива, т.е. наличия пористости, т.к. в них имеет место аккумуляция газообразных ПД. Увеличение пористости приводит к их сообщаемости => много выделяется газообразных ПД

  1.  

Сравнение зависимостей «твердого» распухания UO2 от выгорания, полученных расчетным путем (линии для разных значений исходной пористости ρ0) с экспериментальными результатами (значки) в различных диапазонах температуры облучения и плотности образцов ρ (% от ТП): 1 – 0,7 % на 1020 дел./см3, ρ0 = 0; 2 – ρ0 = 0,04; 3 – ρ0 = 0,12

Схема структур (а) и распределение пористости (б) по радиусу сердечника твэла (цифры на рисунке означают размер равноосных зерен)

Если  на 1% выгорания, то на долю твердого распухания приходится 0.3-0.4% на 1% выгорания

Газовое распухание вносит основной вклад.

  1.  Накопление ПД
  2.  Миграция ПД(возможна при высоких температурах)

1)-2) необходимые условия для газового распухания

При миграции ПД встречают  вакансии, образованные выбитыми из решетки атомами и образуют зародыши газообразных пузырьков. По мере миграции пузырьки увеличиваются и в них возрастает давление, что приводит к увеличению механической нагрузки на топливо.

Миграция:

  1.  Как атомов отдачи. Длина миграции до 10 мкм.
  2.  В концентрационном поле за счет диффузии
  3.  Вместе с протяженными дефектами кристаллической решетки(дислокациями)
  4.  В поле градиента температур

Поверхность излома оксидного топливного сердечника. Видны пузырьки по границам G и внутри I зерен

ВЗП образуется в результате того, что мигрирующие атомы ГПД встречаются с вакансиями и образуют зародыши газового пузырька. Он является стоком  для других атомов ГПД и вакансий.

По мере выгорания, давление ГПД в ВЗП возрастет, но он уравновешивается поверхностным натяжением топлива => имеют сферическую форму и маленькие размеры от 0.5-2мкм в . В процессе выгорания происходит также уничтожение ВЗП из-за взаимодействия осколка деления, проходящего через пузырек, вокруг высокие температуры и материал находится в жидкогазообразном состоянии под большим давлением и это жидкое топливо попадает в ВЗП, кроме того при столкновении атомов Xe и Kr, находящихся в пузырьках, происходит внедрение этих ГПД в матрицу топлива и давление понижается,  спустя время внедренные атомы могут опять выделяться в пузырек – перерастворение.

МЗП – образуется в результате миграции ВЗП к границам зерен или миграции отдельных атомов и малых групп атомов к границам зерен иди миграции границ, которые захватывают отдельные атомы ГПД. Давление ГПД в МЗП ниже равновесного давления => МЗП не имеют сферическую форму, а имеют чичевицеобразную форму.

МХП ответственны за распухание топлива

Увеличение радиуса топливного столба за счет радиационной ползучести

Распухание обусловлено:

  1.  МЗП
  2.  Радиационная ползучесть периферической хрупкой холодной части столба.

В МЗП, также как и в ВЗП происходит перерастворение ГПД.

Факторы, влияющие на распухание оксидного ЯТ

  1.  Наличие пористости уменьшает распухание ЯТ
  2.  Выгорание ЯТ, чем больше выгорание, тем больше распухание. Между выгоранием и распуханием существует линейная зависимость.
  3.  Температура: чем выше Т, тем больше распухание. Т зависит от линейной мощности ТВЭЛа
  4.  Величина нестехиометрии, чем больше отклонение от стехиометрии, тем выше диффузионная подвижность атомов ГПД, тем сильнее распухание. Распухание на 1.5-2%  на 1% выгорании тяжелых атомов.

Выделение ГПД

Модельный расчет выделения газообразных продуктов деления из оксидного топлива в зависимости от выгорания при различных температурах (скорость делений 1013 дел./см3·с, градиент температуры 1000 К/см, размер зерен 10 мкм, давление 13,8 МПа)

Выделение ГПД в активный объем твэла играет отрицательную роль, т.к.  Xe и Kr имеют низкую теплопроводность

На выделение ГПД влияют:

  1.  Величина пористости таблеток топливного столба, чем она выше, тем больше ГПД.
  2.  Температура, чем выше Т, тем выше ГПД.

1300К – 0.5% ГПД от всех ГПД

1300-1600 К – 10%

1600-1900 – 60%

>1900К – 95%

  1.  Размеры зерен, чем больше зерно, тем выше ГПД. 20-30мкм (сейчас)
  2.  Глубина выгорания топлива, чем больше, тем больше ГПД
  3.  Скорость делений, чем больше, тем меньше выход ГПД
  4.  Мощность(удельная) твэлов

– все ГПД выходят из топлива.

Зависимость газовыделения из оксидного топлива от линейной мощности твэла

Совместимость оксидного топлива с теплоносителями и конструкционными материалами

Хорошо совместимо с водой.

C Na, K совместимость до

С Zr -

С нержавеющей сталью -

W -

Оксидное топливо используется практически везде: ВВЭР, ВВЭРК, РБМК, БР, ВТГР, тяжеловодные реакторы, исследовательские реакторы, космические реакторы, УГР.

Не используются:  в ГГР, АМБ, в некоторых быстрых реакторах EBR2, в некоторых транспортных реакторах, в новых реакторах.

Бескислородное керамическое ЯТ

Карбиды и нитриды урана.

  1.  Низкая теплопроводность (это “-” у UO2) => тонкие твэлы
  2.  Низкая плотность топлива => больше АЗ и малый КВ.

“+” бескислородного топлива:

  1.  Выслкая теплопроводность, до 10 раз выше, чем у UO2.
  2.  Высокая плотность бескислородного ЯТ => выше КВ у БР

- бескислородного топлива:

  1.  Сложная технология получения
  2.  При использовании карбидного топлива происходит науглероживание оболочки твэла => снижение эластичности.

У нитридного топлива при Т>С нитрид урана диссоциирует с образованием металлического урана

Карбидное ЯТ

UC – ГЦК решетка

U2C3 (ОЦК)  (ОЦК):

UC2 – ГЦК

UC имеет область нестехиометрии, обладает максимальноей плотностью

  

UC может использоваться в энергетических реакторах

U2C2 совместим с графитом до , поэтому UC2 используется в ВТГР.

UC2 исключительно для ВТГР

Получение карбидов:

2 метал.

Порошок

Получение сложно, поэтому его плохо использовать. Порошок U прессуют и опекают при , получают таблетки диаметром больше, чем у   

Для БР представляет интерес смешанные карбиды U и Pu: PuC, Pu2C3, PuC2, Pu2C

Практический интерес представляет PuC: ГЦК и

UC2 – ЯТ, используется в ВТГР

UC, PuC – имеют более высокую пл-ть, чем у UC2, PuC2 рассматривается как перспективное топливо/


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24790. РАЗРАБОТКА УПРАВЛЕНЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ 73 KB
  Требования предъявляемые к управленческим решениям Сущность и виды управленческих решений Решение это выбор альтернативы. Решения принимаемые в процессе управления могут быть классифицированы по различным признакам. По уровню управления различают решения принимаемые на разных уровнях: начальника цеха начальника отдела; заместителя директора; директора; министра.
24791. УПРАВЛЕНИЕ ОБЩЕСТВЕННЫМИ ОТНОШЕНИЯМИ 42 KB
  Организация связей с общественностью в системе государственного и муниципального управления: общее и особенное. управления можно отнести: участие в демократизации государственного управления содействие становлению гражданского общества. Существует прямая зависимость между уровнем управления и особенностями служб PR: в региональных и муниципальных органах власти широко реализуется коммуникативная функция и общение с гражданами постоянно и организованно. Возможности PR могут быть использованы в целях повышения открытости государственного...
24792. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ 59.5 KB
  наличие централизованных информационных центров генераторов баз данных 2. Например: Федеральная налоговая служба организовала Банк Данных глобальную базу данных. Локальные и распределенные базы данных системы управления базами данных. Информационные ресурсы представляют собой отдельные документы и отдельные массивы документов в информационных системах библиотеках архивах фондах банках данных других видах информационных систем.
24793. ИННОВАЦИОННЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ. Технологические уклады, основные периоды. Прогноз 73 KB
  Инновации и жизненный цикл товара. Этап внедрения начинается с момента появления товара на тынке. Цены на первом этапе могут быть низкими либо высокими в зависимости от специфики и особенностей товара и потребителя. Примером товара находящегося на первом этапе ЖЦТ может служить цифровая фотокамера.
24794. ГОСУДАРСТВЕННЫЕ И МУНИЦИПАЛЬНЫЕ ФИНАНСЫ. Структура государственных финансов РФ 120 KB
  Структура государственных финансов РФ. Структура государственных финансов . Структуру государственных финансов можно определять с двух точек зрения. Государственные финансы могут быть рассмотрены с точки зрения преемственности к тем или иным органам государственной власти или с позиции разделения государственных финансов на бюджетные и не бюджетные фонды.
24795. ГЕОПОЛИТИКА 61 KB
  Сущность содержание и структура системы национальной безопасности государства. Законе Российской Федерации О безопасности национальная безопасность трактуется как состояние защищенности жизненно важных интересов личности общества государства от внутренних и внешних угроз. Под национальной безопасностью страны необходимо понимать систему элементов связей и отношений обеспечивающую реализацию жизненно важных политических экономических военных гуманитарных экологических информационных и других интересов личности общества и государства....
24796. Конституционное право России. Конституционные основы организации публичной власти в Российской Федерации 116.5 KB
  Государственную власть в РФ осуществляют Президент РФ Федеральное Собрание парламент состоит из двух палат: Совета Федерации и Государственной Думы Правительство РФ суды РФ существует единая судебная система РФ ее высшими звеньями являются Конституционный Суд РФ Верховный Суд РФ и Высший Арбитражный Суд РФ. Экономические и политические основы конституционного строя Российской Федерации: понятие содержание правовое регулирование. Установленные Конституцией положения связанные с отношением государства к человеку служат...
24797. АДМИНИСТРАТИВНОЕ ПРАВО. Государственное управление как объект административно-правового регулирования 102.5 KB
  Государственное управление это один из видов деятельности государственных органов РФ по осуществлению государственной власти реализации государственновластных полномочий. €œО принципах и порядке разграничения предметов ведения и полномочий между органами государственной власти РФ и органами государственной власти субъектов РФ€. Ветви власти взаимосвязаны но в то же время характеризуются определенной самостоятельностью. Местные органы самоуправления не входят в систему органов государственной власти ст.
24798. ГРАЖДАНСКОЕ ПРАВО. Гражданские правоотношения: понятие, элементы, виды 131 KB
  Гражданские правоотношения: понятие элементы виды Гражданские правоотношения – общественные отношения урегулированные нормами ГП это связь субъектов наделенных взаимными правами и обязанностями.Субъекты: лица обладающие гражданскими права ми и несущие гражданские обязанности в связи с участием в конкретном гражданском правоотношении.Объекты определенные цели на достижение которых направлены те или иные права. характер санкций применяемый в гражданском праве: Меры принуждения имеют имущественный характер и санкции являются...