Особенности службы ТВЭЛов в реакторах

Герметизация концов ТВЭлов

Помимо обработки давлением, упоминавшейся выше, широко применяют сварку: аргоно- или гелиево-дуговую с плавящимся или неплавящимся электродом, высоковакуумную, электроннолучевую, контактную.

Контроль качества ТВЭлов. В производстве ТВЭлов контроль качества может составлять до 50% всех производственных затрат.

Для обнаружения внутренних дефектов в сердечниках и торцевых несплошностей между сердечником и оболочкой используют рентгенографию и γ-радиографию.

Проверка ультразвуковым лучом частотой 5 МГц позволяет обнаружить несцепленные участки между оболочкой и сердечником. Специальные смачивающие краски позволяют обнаружить внутренние трещины и поры.

Обжатием гелием или паром в автоклаве оценивают сопротивление оболочки проникновению влаги или паров.

Закалка в воде с повышенных температур является способом определения сопротивления сборки термическому удару.

Отдирание оболочки для оценки прочности сцепления с сердечником.

Условия работы ТВЭЛов очень сложные и ниже мы рассмотрим основные причины их повреждения в реакторах.

В реакторном цикле ядерное топливо подвергается воздействию многих факторов: температуры, нейтронного облучения и продуктов деления, т.е. ионов с энергией до 100 МэВ.

Когда металл работает при высокой температуре, то перенос тепла осуществляется в большинстве случаев от внешней поверхности внутрь. После наступления теплового равновесия градиенты температуры внутри металла, а, следовательно, и температурные напряжения уменьшаются. Ядерный тепловыделяющий элемент, как это следует из его названия, напротив, является источником тепла; следовательно, тепловой поток направлен от центра элемента к теплоносителю. В центре элемента может достигаться огромная температура, которая определяется скоростью реакции деления. Поскольку температура в центре тепловыделяющего элемента много выше температуры его поверхности, температурные напряжения могут быть довольно велики.

Металлический уран и его сплавы имеют высокую теплопроводность и, следовательно, создают относительно небольшие температурные градиенты, обычно около 100 градусов/см. Наоборот, диоксид урана обладает низкой теплопроводностью, что приводит к большим температурным градиентам – до 2000 градусов/см. Карбидное топливо занимает промежуточное положение: градиенты приблизительно равны 500 градусов/см.

Две причины радиационных повреждений урана:

Ø смещение атомов со своих нормальных положений в углах решётки урана в результате упругих столкновений с нейтронами и осколками деления,

Ø химические или механические повреждения, вызываемые внедрением продуктов деления в кристаллическую решётку урана.

Наиболее ярким проявлением радиационных превращений урана является формоизменение. При t < 400 ^оС формоизменение не сопровождается существенным изменением удельного объёма, т.е. является действительным формоизменением. К примеру, монокристалл урана в нейтронном поле удлиняется в направлении (010), сокращается по оси (100) и остаётся неизменным по оси (001).

При t > 400 ^оС наблюдается увеличение удельного объёма – «распухание», которое обусловлено образованием в уране газовых пузырьков, образованных продуктами деления (главным образом газообразными Kr и Xe). Чтобы свести газовое распухане к минимуму, необходимо удержать газ в большом количестве мелких пузырьков, предотвращая их слияние. Это возможно осуществить легированием урана алюминием, железом или более дорогими молибденом, ниобием, цирконием, кобальтом.

Зависимость радиационного распухания от выгорания представлена на рисунке. Приблизительно 80% распухания происходит из-за образования газовых пузырьков (диаметром около 0,1 мкм), остальное составляет вклад твёрдых продуктов деления.

Зависимость радиационного распухания урана от выгорания

При радиационном облучении меняются и механические свойства урана. При выгорании 0,08% предел текучести увеличивается от 27 до 56 кг/см³. Ударная вязкость урана, составляющая до облучения 2-3 кг/см², резко уменьшается после облучения флюенсом 10¹⁹ нейтрон/см² до 0,6-0,9 кг/см². Охрупчивание урана при облучении начинается при самых низких флюенсах. После 0,02%-ного выгорания теплопроводность уменьшается на 10-15 %.

Керамические ТВЭлы на основе UO₂ можно облучать нейтронами до очень большой степени выгорания (около 50 000 МВт сут/т) без существенных повреждений. При делении урана появляется большое количество продуктов. Средний объём продуктов деления приблизительно равен 54 см³/моль, а UO₂ – 24,4 см³/моль, т.е. при полном делении урана его объём возрастает теоретически в 2,21 раза.

Результаты реакторного воздействия на уран:

1. Размерная нестабильность

2. Образование шероховатой поверхности

3. Коробление

4. Повышенная твёрдость

5. Чрезвычайно большая хрупкость

6. Трещины и пористость

7. Уменьшение теплопроводности и электропроводности

Размерная нестабильность, шероховатость, коробление зависят от преимущественной ориентировки, строения зёрен, геометрической формы. Поэтому для ТВЭлов используют β-закалённый уран (добиваются наименьшей анизотропии и устранения ориентации). Цельнометаллический урановый ТВЭл может быть изготовлен так, что в нем будет почти отсутствовать радиационный и термоциклический рост. Это достигается за счёт мелкого зерна и неориентированности микроструктуры. Указанные характеристики можно получить либо соответствующей термообработкой, заключающейся в нагреве до бета-области, и последующей закалки, либо методами порошковой металлургии. Однако такая обработка будет эффективна лишь при условии, что при работе ядерного реактора температура в центре элемента не будет превышать температуры альфа-бета-превращения. В противном случае могут возникнуть давления, вызывающие значительные повреждения тепловыделяющего элемента. Более холодные внешние слои элемента, имеющие альфа-структуру, со временем становятся всё более хрупкими, в результате чего под действием напряжений, вызванных наличием бета-структуры в сердцевине, может произойти разрушение наружных слоёв.

“Живучесть” ТВЭЛов определяют:

Нейтронное облучение: деление ядер и связанные с ним радиационные нарушения, зависимость от флюенса – суммарного потока нейтронов.

Распухание сердечника ТВЭЛ вследствие накоплении РНД (все они имеют меньшую, чем уран, плотность) – свеллинг, приводящий к всё большим напряжениям и усилиям, действующим на оболочку.

Коррозионные и эрозионные процессы, в том числе кавитация – микроударное разрушение.

Двухсторонняя служба покрытий.

Радиационное воздействие РНД.

Диффузионные процессы контактирующих металлов.

Внутренние напряжения, возникающие в узлах ТВЭЛ в основном за счёт перепадов температуры.

Усталостные разрушения от колебаний (“качаний”) температуры и происходящих при этом аллотропических превращениях (перекристаллизациях).

Все эти сложные условия работы ТВЭЛ и ТВС должны быть хорошо осознанны технологами и должны двигать их мысли по усовершенствованию структуры и параметров ТВЭЛ и ТВС. Это скажется в виде повышения экономической эффективности и надёжности использования ядерного топлива, меньшего экологического риска.

Основная литература

Тураев Н.С., Жерин И.И., Химия и технология урана. М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2006.

Лебедев В.М. Ядерный топливный цикл. М.: Энергоатомиздат, 2005.

Makhijani A., Chalmers L., Smith B., Uranium enrichment. Takoma Park, Institute for energy and environmental research, 2005, 47 p.

Жиганов А.М., Гузеев В.В., Андреев Г.Г. Технология диоксида урана для керамического ядерного горючего. Томск: SST, 2002.

Толстов Е.А., Толстов Д.Е. Физико-химические геотехнологии освоения месторождений урана и золота в Кызылкумском районе. М.: Геоинформцентр, 2002.

Brown G.I., Invisible rays: the history of radioactivity. Stroud, Sutton Publishing Limited, 2002, 248 p.

Brown G.I., The big bang: a history of explosives. Stroud, Sutton Publishing Limited, 1999, 256 p.

Кац Дж., Сиборг Г., Морс Л. Химия актиноидов, т. 1. М.: «Мир», 1991.

Майоров А.А., Браверман И.Б. Технология получения порошков керамической двуокиси урана. М.: Энергоатомиздат, 1985.

Беккер Е., Босхотен Ф., Бриголи Б., Дженсен Р., Массиньон Д., Натрат Н., Робинсон К., Виллани С., Обогащение урана. Москва, Энергоатомиздат, 1983, 320 с.

Скороваров Д.И., Смирнов Ю.В. и др. Гидрометаллургия переработки уранорудного сырья. М.: Атомиздат, 1979.

Громов Б.В. Ведение в химическую технологию урана. М.: Атомиздат, 1978.

Власов В.Г., Жуковский В.М., Ткаченко Е.В., Бекетов А.Р. Кислородные соединения урана М.: Атомиздат, 1972.

Сокурский Ю.Н., Стерлин Я.М., Федорченко В.А. Уран и его сплавы. М.: Атомиздат, 1971.

Сазыкин Н.С., Сырьевые ресурсы урановой промышленности капиталистических стран и их использование. Москва, Недра, 1968, 123 с.

Галкин Н.П., Судариков Б.Н. и др. Технология урана. М.: Атомиздат, 1964.

Стерлин Я.М. Металлургия урана. М.: Госатомиздат, 1962.

Займовский А.С., Калашников В.В., Головнин И.С. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. М.: Атомиздат, 1962, 1966.

Галкин Н.П., Майоров А.А. и др. Химия и технология фтористых соединений урана. М.: Госатомиздат, 1961.

Галкин Н.П., Майоров А.А., Верятин У.Д. Технология переработки концентратов урана. М.: Атомиздат, 1960.

Дополнительные материалы к разделу 1

Мартин Генрих Клапрот (01.12.1743 – 01.01.1817)

Немецкий химик, член Берлинской академии наук (с 1788). Родился в Вернигероде. Работал в аптеках в Ганновере (1766-1768), Берлине (1768-1770 и с 1771), Данциге (1770). В 1780 основал собственную лабораторию в Берлине. С 1792 преподавал в Темпельгофской артиллерийской школе в Берлине, с 1810 профессор Берлинского университета.

Основные работы относятся к неорганической и аналитической химии. Открыл уран и цирконий (1789), титан (1795). Независимо от Й.Я. Берцелиуса и шведского химика В.Г. Хизингера открыл (1803) церий. Изучал соединения стронция (1793), хрома (1797), теллура (1798). Повторил (1792) на заседании Берлинской академии наук главнейшие опыты Лавуазье, чем способствовал признанию его воззрений в Германии. Установил, что в железных метеоритах постоянным спутником железа является никель. Изучая лейциты, обнаружил, что они содержат калий; тем самым показал впервые, что калий встречается не только в растениях, но и в минералах. Открыл (1798) явление полиморфизма, установив, что минералы кальцит и арагонит имеют химический состав – СаСО₃.

Член ряда академий наук. Иностранный почётный член Петербургской академии наук (с 1805).

Эжен Мелькьор Пелиго (24.02.1811 – 15.04.1890)

Французский химик, член Парижской академии наук (с 1852). Ученик Ж.Б.А. Дюма. Родился в Париже. Окончил политехническую школу в Париже. Преподавал там же, с 1845 работал в Центральной школе искусств и ремёсел в Париже, с 1846 – на монетном дворе, с 1876 профессор Института агрохимии.

Основная область работ – органическая химия. Совместно с Дюма исследовал древесный спирт и сопоставил его состав с составом винного спирта, заложил первые представления о классе спиртов. Они же получили первое фторорганическое соединение – метилфторид (1834) и трихлоруксусную кислоту. Получил (1841) металлический уран в виде порошка восстановлением безводного хлорида урана металлическим калием в закрытом тигле при нагревании до температуры красного каления.

Антуан Анри Беккерель (15.12.1852 – 25.08.1908)

Французский физик, член Парижской академии наук (с 1889). Родился в Париже. Окончил Политехническую школу в Париже (1872). В 1876-1908 работал там же (с 1895 профессор), одновременно в 1878-1895 – в Музее естественной истории (с 1892 профессор).

Основные работы посвящены изучении явлений люминесценции и радиоактивности. Открыл (1896) и изучил явление самопроизвольного излучения солями урана и металлическим ураном лучей особой природы, названное М. Кюри в 1898 радиоактивностью. Независимо от П. Кюри обнаружил (1901) физиологическое действие радиоактивного излучения. Изучал магнетизм, поляризацию света. Обнаружил эффект Фарадея в газах (вращение плоскости поляризации свет в магнитном поле в газовой среде). Член ряда академий наук и научных обществ.

Нобелевская премия по физике (1903, совместно с П. Кюри и М. Склодовской-Кюри).

Мария Склодовская-Кюри (07.11.1867 – 04.07.1934)

Химик и физик. Родилась в Варшаве. Окончила Парижский университет (1894). С 1895 работала в Школе индустриальной физики и химии в лаборатории своего мужа П. Кюри. В 1900-1906 преподавала в Севрской нормальной школе, с 1906 профессор Парижского университета. С 1914 руководила химическим отделом основанного при её участии в 1914 Института радия в Париже.

Является одним из основоположников учения о радиоактивности. Пришла к выводу (1898), что радиоактивность урана – свойство его атомов. Совместно с П. Кюри открыла (1898) химические элементы полоний и радий. Впервые (1898) употребила термин «радиоактивность».

Независимо от Г. Шмидта открыла (1898) радиоактивность тория. Высказала (1899) предположение о материальном характере радиоактивного излучения. Получила (1902) вместе с П. Кюри 0,1 г. соли радия и определила его атомную массу. Разработала основы количественных методов радиоактивных измерений. Определяла постоянные распада ряда радиоактивных элементов. Совместно с А.Л. Дебьерном получила (1910) радий в металлическом виде. Они же изготовили (1911) первый эталон радия. В годы первой мировой войны организовала рентгено- и радиологическое обслуживание госпиталей Франции. Создала школу специалистов в области радиоактивности.

Иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук (с 1907) и почётный член АН СССР (с 1926).

Нобелевская премия по физике (1903, совместно с А. Беккерелем и П. Кюри), Нобелевская премия по химии (1911).

Кюри Пьер (15.05.1859 – 19.04.1906)

Французский физик и химик, член Парижской академии наук (с 1905). Родился в Париже. Окончил Парижский университет (1877). Работал там же, в 1882-1904 в Школе индустриальной физики и химии в Париже (с 1895 профессор), с 1904 профессор Парижского университета.

Пьер и Мария Кюри в лаборатории, 1898.

Один из основателей учения о радиоактивности. Научные работы посвящены также исследованию кристаллических тел, магнетизму. Совместно с братом П.Ж. Кюри открыл (1880) и исследовал пьезоэлектрические явления. Изучал (до 1896) парамагнитные и диамагнитные тела и установил (1895) закон, согласно которому существует обратная пропорциональность между магнитной восприимчивостью парамагнетиков и абсолютной температурой (закон Кюри). Обнаружил, что для железа существует особая температура, выше которой исчезают его ферромагнитные свойства (точка Кюри). Совместно с женой М. Склодовской-Кюри открыл (1898) полоний и радий. Выдвинул одну из первых гипотез о причинах радиоактивного распада. Независимо от А.А. Беккереля обнаружил (1901) биологическое действие радиоактивного излучения. Совместно с А. Лабордом открыл (1903) явление самопроизвольного выделения теплоты солями радия. Одним из первых использовал понятие «период полураспада». Предложил (1904) идею метода определения абсолютного возраста урансодержащих минералов.

Нобелевская премия по физике (1903, совместно с А. Беккерелем и М. Склодовской-Кюри).

Дополнительные материалы к разделу 3

Дата добавления: 2014-01-07