распухание топлива обусловленное твердыми продуктами деления Подготовил Гаркуша Сергей, 5 курс, 5 группа
К наиболее значимым и интересным радиационным эффектам (явлениям), существенно ограничивающим работоспособность конструкционных материалов быстрых и термоядерных реакторов, относится радиационное распухание – увеличение объема и изменение плотности облучаемого материала за счет образования и роста многочисленных вакансионных и газовых пор. Повышенный научный интерес к радиационному распуханию связан с пониманием закономерностей взаимодействия точечных дефектов с дислокациями, примесями, порами, когерентными и некогерентными границами, а также с эволюцией точечных дефектов в поле однородного и неоднородного распределения стоков различной эффективности. Практическим результатом этого эффекта является уменьшение проходного сечения каналов с теплоносителем, что приводит к изменению теплового режима работы реактора и может вызвать заклинивание пакетов с твэлами, а также их разгерметизацию.
В отличие от радиационного роста, когда при относительно низком выгорании топлива изменяются размеры кристаллов (не сопровождающиеся заметным изменением объема образца), при РАДИАЦИОННОМ РАСПУХАНИИ наблюдается также существенное увеличение объема. Для зарождения и роста пор в облучаемом материале необходимо, чтобы выполнялись три условия: 1) термодинамическое условие – достаточно высокое вакансионное пересыщение; 2) кинетическое условие – достаточно высокая подвижность вакансий и решеточных атомов, обеспечивающая приход вакансий к позициям роста пор в решетке и уход атомов из этих позиций; 3) условие стабилизации трехмерного вакансионного скопления – действие сил, препятствующих разрушению трехмерного вакансионного скопления до дислокационной петли.
Выполнение перечисленных условий в свою очередь зависит от структурного состояния материала, энергетических характеристик дефектов структуры (энергии образования и миграции точечных дефектов, энергии взаимодействия дефектов в структуре, энергии дефектов упаковки и т. д. ) и параметров облучения (температуры облучения, типа и энергии бомбардирующих частиц, интенсивности потока и интегрального потока), что обусловливает зависимость поведения материалов под облучением от этих факторов.
При выгорании порядка нескольких тысячных от всего числа атомов урана и, если облучение ведется при температурах верхней области существования α-урана (Т = 400– 600 ºС), то происходит явление радиационного распухания, определяемое как изменением геометрии уранового образца, так и большим уменьшением его плотности.
При рассмотрении распухания топлива, обусловленного твердыми продуктами деления, полагают, что газовая фаза, содержащая летучие продукты деления (ксенон, криптон и любые другие продукты деления, которые в условиях облучения могут находиться в газообразном виде), не вносит вклада в распухание. Установлены закономерности: ∆V(ГПД) ~ β 3/2 и ∆V(ТПД) =2, 4·β, где β – доля разделившихся атомов урана (степень выгорания).
Распухание в твердой фазе характеризуется физико-химическим параметром, представляющим собой объем, связанный с каждым атомом продуктов деления в ожидаемых для них состояниях в облученном топливе. Этот объем, в частности, включает также атомы кислорода или углерода, связывающиеся с продуктами деления (если это имеет место), и носит название парциального объема продукта деления. Выход Yi основных элементов продуктов деления можно найти в табулированных расчетных данных. Следовательно, для определения величины твердого распухания остается только оценить пар циальные объемы каждого из продуктов деления, образующихся в облученном топливе.
За время облучения, например, оксидного топлива в решетке UO 2 образуются катионы циркония, ниобия, молибдена, иттрия и восьми других редкоземельных металлов в количествах, пропорциональных выходу этих элементов в процессе деления. Было показано, что для получаемой комбинации ионных радиусов и выходов деления всех растворимых твердых продуктов деления происходит компенсация различных размерных эффектов, то есть постоянная решетки оксида UO 2 по существу не изменяется в результате облучения. Таким образом, парциальный объем катионов растворимых ТПД приблизительно равен парциальному объему атома U в исходном диоксиде UO 2. Можно считать, что объем смеси основных образующихся компонент металлической фазы (Ce, Mo, Nd, Y, Te) равен сумме объемов чистых фаз. Парциальный объем металлических включений определяется как :
Результаты В результате расчетов было получено, что распухание оксидного топлива из-за твердых продуктов деления составляет около 0, 32 % на один атомный процент выгорания топлива. Однако эта величина имеет определенную погрешность, так как во-первых, не учитывается перераспределение продуктов деления в процессе облучения во-вторых, имеется значительная неопределенность в определении физических и химических состояний некоторых образующихся ТПД.
Источники: 1. Физическое материаловедение. Т. 6. Ч. 2. – М. : МИФИ, 2008. Физическое материаловедение Т. 4, /Под общей ред. Б. А. Калина. – М. : МИФИ, 2008 2. 3. Радиационные эффекты в твердых телах / В. В. Углов. – Минск: БГУ, 2007
Скачать презентацию распухание топлива обусловленное твердыми продуктами деления Подготовил Гаркуша
распухание топлива Гаркуша.pptx