Изготовление изделий из силицида урана

Физические и механические свойства силицидов урана.

В табл.4 представлены некоторые свойства для силицида U₃Si, наиболее перспективного для производства ядерного топлива. В общем случае все представленные свойства зависят от режима получения U₃Si, или режима дельтезирования, а также от наличия примесей других фаз силицидов. Максимальная рабочая температура для U₃Si составляет 930°С. Это равновесная температура перетектоидной реакции образования силицида триурана из металлического урана и дисилицида триурана.

Таблица 4.

Физические свойства силицида урана U₃Si.

Свойство	Значение
Теплопроводность, вт/(м.град) при 25°С Среднее значение в интервале 0-1000°С	0,2
Термический коэффициент линейного расширения, 10^-6 град^-1 при 20 - 300°С, при 20 – 800°С
Удельное электросопротивление, мКом^.см, при 20°С при 75 - 800°С
Прочность при сжатии, МПа
Прочность при растяжении, МПА	300 - 400
Твердость, средняя, кГ/мм^2,
Модуль Юнга, МПа	~154, 5^.10^3

19.5. Химические свойства U₃S.

Силицид урана U₃S характеризуется высокой стойкостью к окислению. Реакция с кислородом начинает протекать при 500 - 800°С с образованием продуктов окисления U₃Si₂, который образует внутренний слой на поверхности окисляемого тела или частицы и U₃O₈, образующего внешний слой. Внутренний слой из U₃Si₂ обладает высокой стойкостью к дальнейшему окислению.

По отношению к коррозии в воде U₃S является самым устойчивым среди других силицидов. Потери в воде 100%-ного дельтезированного U₃Si при температуре 172°С в течение 1248 часов составили 0,006 мг/(см².ч). Однако наличие других фаз, особенно фазы металлического урана, значительно снижает коррозионную стойкость к воде. Также ухудшает коррозионную стойкость U₃Si наличие U₃Si₂ в значительных количествах. Ухудшение коррозионной стойкости к воде проявляется при снижении содержания Si до 3,6%, в то время как повышение содержания кремния выше 4,5% не приводит к повышению скорости коррозии по сравнению со сплавом, содержащим 3,9 % Si. С ростом температуры скорость коррозии возрастает до 1-2 мг/(см².ч) при 343°С для сплавов, содержащих 3,8 – 3,9 % масс. Si.

При изготовлении твэлов из U₃Si методом выдавливания с оболочкой из циркалоя наблюдается взаимодействие силицида сердечника с материалом оболочки при 800°С с образованием слоев ZrSi₂ и U. Эта проблема в настоящее время широко исследуется и решается за счет подбора эффективных добавок, препятствующих циркониевой коррозии.

U₃Si реагирует с карбидом урана UC при температурах выше 815°С по реакции:

U₃Si + UC ® U₃Si₂C_x + U

Фаза U₃Si₂C_x представляет собой твердый раствор внедрения с изменяющимся составом по углероду в пределах 4 % ат. и по кремнию – 0,9 % ат.

Получение компактных изделий из U₃Si осуществляют горячим выдавливанием дельтезированных слитков. Затем эти слитки подвергают бесцентровой шлифовке и разрезке на сердечники требуемой длины. Полученные таким образом сердечники направляют на изготовление твэлов. Принципиальная технологическая схема получения твэлов таким способом представлена на рис.3.

Рис.3. Принципиальная технологическая схема изготовления твэлов из U₃Si.

Другим способом изготовления твэлов с сердечниками из U₃Si является совместное выдавливание заготовок из силицида урана в оболочке из циркалоя – 2.

19.7. Влияние облучения на структуру и свойства U₃Si.

Облучение образцов U₃Si приводит к значительным изменениям кристаллической структуры силицида. На первом этапе происходит накопление дефектов в структуре кристаллитов, что приводит к изменению протравливания межкристаллитных границ. При облучении U₃Si с содержанием 3,8% Si до выгорания 1,42^.10²⁰ дел/см³ при протравливании не удается выявить межзеренных границ. Восстановление первоначальной структуры можно достигнуть отжигом при определенной температуре. Небольшие изменения в структуре силицида при выгораниях до 10¹⁶ дел/см³ удается восстановить отжигом при 200°С в течение 1 часа. При больших выгораниях температуру отжига необходимо поднимать, вплоть до 800°С, при которой первоначальная структура U₃Si восстанавливается полностью при выгораниях до 10¹⁷ – 10²⁰ дел/см³.

Изменения в структуре силицида урана зависят от температуры и дозы облучения. Методом рентгеноструктурного анализа показано, что увеличение выгорания приводит сначала к искажению тетрагональной структуры U₃Si с последующим переходом к кубической, а затем наступает полная аморфизация образцов. На рис.4 показана схема изменения структуры U₃Si в процессе облучения при температуре менее 100°С и последующего отжига.

Рис.4. Схема влияние облучения при температуре менее 100°С и последующего отжига

на структуру U₃Si.

1 – структура с микродвойниками; 2 – структура с микродвойниками и радиационными дефектами; 3 – аморфная структура; 4 – поликристаллическая структура с размером зерен ~ 14 нм; 5 – поликристаллическая структура сразмером зерен 0,1 – 0,2 мкм;

6 - поликристаллическая структура сразмером зерен 0,8 – 1,5 мкм;

Как видно из этой схемы, облучение до выгораний ~ 0,18^.10¹⁷ дел/см³ приводит к накоплению радиационных повреждений, а при более высоких выгораниях до 0,6^.10¹⁷ дел/см³ структура U₃Si практически полностью аморфизирована. Чем больше длительность облучения, тем выше температура отжига, необходимая для восстановления кристаллической структуры. Полное восстановление наблюдается только при температуре 800°С.

Аналогичная картина наблюдается при облучении образцов U₃Si ионами Ar⁺ при комнатной температуре. По мере увеличения времени облучения происходит переход от упорядоченной тетрагональной структуры к кубической, затем к разупорядоченной кубической и, наконец, к полной аморфной структуре.

Наряду с разрушением кристаллической структуры U₃Si под действием облучения происходит распухание силицида урана. Исследование свободного распухания проводили при температурах менее 250°С. До выгораний ~ 10¹⁵ дел/см³ распухание практически не наблюдается. При увеличении выгорания вплоть до 10¹⁷ дел/см³ распухание составляет 3,5% и остается неизменным до выгораний 10¹⁹ дел/см³. Вызванное облучением распухание исчезало при отжиге в интервале температур 150 - 500°С.

Распухание сердечников твэлов исследовали на образцах, вырезанных из облученных твэлов. До выгораний ~ 10¹⁹ дел/см³ распухание топливных сердечников, облученных при температуре в центре 580-660°С, не превышало 1%. С ростом выгорания до 7^. 10¹⁹ дел/см³ распухание быстро увеличивалось до 6,5%. Значительное влияние на распухание сердечников твэлов оказывает температура. Зависимость распухания от температуры носит экстремальный характер, рис.5., с максимумом на 500°С и распухаемостью до 30% в области максимума.

Рис.5. Зависимость распухания U₃Si от температуры облучения, полученных на образцах, облученных до выгорания 1390 МВт^.сут/т U (1), 1570 МВт^.сут/т U (2), 1930 МВт^.сут/т U (3), 3070 МВт^.сут/т U (4) и 8435 МВт^.сут/т U (6).

Полагают, что значительный вклад в распухание U₃Si вносит не столько перестройка структуры от тетрагональной к кубической и затем к аморфной, как вакансионное образование пор. Зарождение и рост пор и соответствующее распухание продолжаются до выгорания 1500 – 2000 МВт.сут/т U. Уменьшение скорости распухания обусловлено установлением равновесия между силами, приводящими к зарождению и росту пор и сопротивлением матрицы.

19.8. Радиационные испытания твэлов на основе силицида урана U₃Si.

Радиационные испытания твэлов, содержащих сердечники из U₃Si проводили применительно к водоохлаждаемым реакторам типа CANDU до экономически требуемого выгорания 10000 МВт^.сут/т U и изменениями наружных размеров твэла менее 1% по его длине и диаметру. Испытывали различные конструкции твэлов, из которых необходимо выделить твэлы с центральным продольным осевым отверстием различного объема и с продольными пазами, также имеющим компенсационный свободный объем для распухающего топлива. Оболочки твэлов были изготовлены из циркониевых сплавов (циркалой – 4, циркалой – 2, Zr + 2,5%Nb) с различной толщиной от 0,45 мм до 0,70 мм. Наружный диаметр оболочки твэлов составлял 15,1 – 15,2 мм. Наружный диаметр сердечника составлял 13,7, 13,8 и 14,3 мм. Длина твэлов составляла 121-123 мм, 127 мм. 130 мм и 152 мм. Объем центрального осевого отверстия составлял от 7,0 до 19,6 % для различных твэлов. При этом полный свободный объем достигал 9,6 – 22,0 %.

Облучение проводили при тепловых нагрузках 400 – 780 Вт/см, достигнутое выгорания составляло 20000 МВт^.сут/т U.

Свободный объем в топливе является важнейшим фактором, предотвращающим увеличение диаметра твэла при распухании топлива. Силицид урана U₃Si оказался достаточно пластичным, чтобы при условиях облучения заполнить свободный объем без значительного изменения диаметра твэла. Реально диаметр твэла начинал увеличиваться после полного заполнения всего свободного объема. Наличие большого свободного объема приводило к повышению выгорания топлива. Так, в твэлах без осевого отверстия увеличение диаметра происходило при выгорании менее 1000 МВт^.сут/т U, в то время как в твэлах, имеющих 22% свободного объема увеличение диаметра начиналось при выгораниях более 4000 МВт^.сут/т U. Для твэлов, имевших свободный объем 1%, увеличение диаметра при таком выгорании составило 1,2%, а для имевших 22% - 0,2%. Результаты проведенных испытаний показали, что наличие свободного объема в 15% позволяет достигать выгорания 20000 МВт^.сут/т U, т.е. в два раза больше, чем экономически необходимо для реакторов типа CANDU.

На распухание топлива оказывает влияние содержание кремния и некоторых других примесей, например, железа, алюминия, углерода. Топливо с массовым содержанием кремния 4,3% распухает более интенсивно, по сравнению с топливом, содержащим 4,0 % Si. Осевое отверстие объемом 4-15% для топлива с 3,6 – 4,0 % Si полностью заполнялось при выгорании 1000 – 2000 МВт^.сут/т U. Для топлива, содержащего 4,3% Si осевое отверстие заполнялось частично при выгорании 4000 МВт^.сут/т U, что приводило к увеличению диаметра оболочки в большей мере. Наличие силицида U₃Si₂, обладающего меньшей пластичностью и большей прочностью, не позволяло образовываться порам для частиц из этого силицида. Пластичность же U₃Si позволяла даже затекать силициду в зазор между оболочкой твэла и его заглушкой толщиной всего лишь 0,07 мм. Микроструктура облученного U₃Si характеризуется наличием большого числа пор, в отличие от частиц U₃Si₂, не имевших ни одной поры. Таким образом, конструкция твэлов с сердечниками из U₃Si с центральным осевым отверстием позволяет эффективно использовать их для водоохлаждаемых реакторов и достигать экономически приемлемых выгораний.

Успешные испытания прошли и твэлы с сердечниками с периферийными пазами. Такая конструкция твэла позволяет также использовать свободный объем для распухающего топлива, однако она более предпочтительна для водоохлаждаемых реакторов. Ширина продольных пазов составляла от 1,4 до 6,0 мм. Наблюдалась хорошая радиационная стабильность таких твэлов. Периферийный объем заполнялся при выгорании ~ 4200 МВт^.сут/т U. Не наблюдалось осадки оболочки твэлов с пазами 6,0 мм после выгорания от 1000 до 3500 МВт^.сут/т U. Расчеты, проведенные по результатам испытаний, показали, что не будет значительной осадки оболочки в пазы, если ТВС выдерживать при низкой мощности реактора в течение 2 – 3 лет.

Наряду с описанными выше исследованиями были проведены испытания твэлов с длиной 500 мм до выгорания 4000 МВт^.сут/т U с сердечниками из U₃Si с центральным осевым отверстием. Испытания проводили при рабочих параметрах реактора типа CANDU – BLW. Давление теплоносителя составляло 5,4 МПа, его средняя температура - 270°С, паросодержание 18,5 %. Обогащение топлива по ²³⁵U составило 2,14%. Использовали оболочку из холоднокатанного циркалоя – 2 диаметром 15,2 мм и толщиной 0,76 мм. Максимальное расчетное значение температуры сердечника составило 675°С.

Послереакторные исследования показали, что уменьшение длины твэла составило 0,13% при незначительном искривлении. Увеличение оболочки составило 0,4% в нижней части и ~ 1% в верхней его части. Осевое отверстие заполнилось только частично, что обусловлено наличием сплава, содержащего 4,3% Si с высоким сопротивлением пластическому течению. Не обнаружено заметного взаимодействия между силицидом урана и циркалоем в зоне контакта сердечника с оболочкой.

Дата добавления: 2014-01-04