Количественная оценка радиационной стойкости дисперсионного топлива

Структуры реальных дисперсионных сердечников трудно подвергнуть количественной оценке в связи с тем, что обычно частицы топлива самых различных форм и размеров хаотично расположены в матричном материале. Вебер и Гирш для анализа использовали гипотетический случай, когда частицы топливосодержащей фазы рассматриваются в виде шаров одного диаметра, правильно расположенных в непрерывной матрице, например по схеме гранецентрированного куба. Предполагается также, что термодиффузия продуктов деления, возникающих при нейтронном облучении топливных частиц, заторможена настолько, что ею можно пренебречь. В этом случае продукты деления будут проникать в материал матрицы на определенную глубину только за счет энергии, приобретенной ими во время акта деления. Таким образом, в процессе работы твэла вокруг каждой топливной частицы будет образовываться определенной толщины шаровой пояс поврежденного продуктами деления материала матрицы.

При наличии поврежденных продуктами деления поясов весь объем матричного материала может рассматриваться как состоящий из двух частей: поврежденной и неповрежденной. Полагая, что основным источником повреждения материала матрицы, а следовательно, и изменения ее свойств под облучением являются продукты деления, можно считать, что общий эффект повреждения матрицы при прочих равных условиях зависит от отношения неповрежденной ее части к поврежденной. Чем больше это отношение, тем более полно сохраняются первоначальные свойства матрицы.

Необходимым условием наиболее полного сохранения первоначальных свойств матрицы является непрерывность ее неповрежденной части: расстояния между частицами топлива должны быть такими, при которых не происходит касания или перекрывания «поясов порчи», рис. 3. Это расстояние зависит от объемной доли топливосодержащей фазы дисперсионной композиции. При постоянном объеме топлива расстояние между частицами может быть различно в зависимости от их размера.

Рис.3. Схема структуры дисперсионной топливной композиции.

Для рассматриваемого гипотетического случая структур, в которых шары топливных частиц расположены по схеме гранецентрированного куба, Харрисон и Керпохен предложили зависимость, связывающую три переменные величины — расстояние между топливными частицами d их диаметр D и объемную долю топливосодержащей фазы V_f:

(1)

Эта зависимость справедлива до значений V_f = 0,74; в этом случае все топливные частицы будут находиться в контакте (d = 0); объемная доля топливных частиц, равная 0,74, является максимально возможной для сфер одного диаметра.

В общем случае расстояние между частицами рассматривают как состоящее из двух участков: поврежденного l_m и неповрежденного d':

d=d'+2l_m (2)

Учитывая рассматриваемую схему радиационного повреждения дисперсионных топливных композиций, можно считать рациональными те из них, в которых неповреждаемая часть расстояния между топливосодержащими частицами больше нуля. Этот параметр зависит от объемной доли топлива, размера его частиц и средней величины пробега осколков деления в материале матрицы, поэтому более показательным критерием при оценке радиационной стойкости дисперсионных композиций будет не значение d, а отношение d'/2l_m

При конструировании твэлов необходимо выполнять условия, обеспечивающие сохранение от повреждения осколками деления максимально возможного объема матрицы, поэтому удобнее использовать понятие относительного объема неповрежденной части матрицы, определяемого разностью (1 — Vd_m/V_m ), где Vd_m и V_m – поврежденный и полный объем матрицы соответственно.

На общий эффект повреждения материала матрицы, а следовательно, и на изменение ее свойств под облучением влияет не только рассмотренная выше величина поврежденного объема, но и степень его повреждения, которая, в свою очередь, зависит от способности частиц топливосодержащей фазы удерживать в себе продукты деления. Помимо физической природы топливного материала определяющей величиной этой способности является размер ее частиц и средняя величина свободного пробега осколков деления в топливном материале. Если из всего количества осколков, возникающих в процессе деления, одна часть их удерживается в топливной частице, а другая покидает ее, то степень повреждения шарового пояса материала матрицы вокруг топливной частицы можно охарактеризовать долей осколков деления, покидающих ее. С увеличением диаметра топливных частиц и с уменьшением средней длины свободного пробега осколков деления в топливном материале будет уменьшаться доля осколков, проникающих в материал матрицы. Все осколки деления покидают частицу диаметром, равным средней величине свободного пробега осколка в топливном материале или меньшим ее. В табл. 1 представлена зависимость доли продуктов деления, покидающих сферическую частицу UO₂, от ее диаметра.

Таблица 1.

Зависимость доли ПД Р_а, покидающих сферическую частицу UO₂, от ее диаметра.

D, мкм	9,4
Ра	1,0	0,65	0,37	0,135	0,068	0,034

Количественная оценка радиационной стойкости дисперсионных систем не может быть полностью основана на предложенных выше закономерностях поведения их под облучением, так как существует еще значительное число неучтенных этим анализом факторов, которые могут существенно влиять на живучесть твэлов. Однако рассмотренная геометрическая схема радиационного повреждения может служить основой для предварительной оценки работоспособности дисперсионных твэлов.

Дата добавления: 2014-01-04