Дисперсное ядерное топливо и его применение

 
 
 
 
 
 

Реферат

Тема: Дисперсное ядерное топливо и его применение.

  
 
 
 

                                                                Студент: Петрова Ирина

                                              Факультет: Ф

                                                    Группа: ф1-01б. 
 
 
 
 
 
 

Дисперсное ядерное топливо.

Некоторые типы ядерных реакторов, такие, как, например, исследовательские с высокой плотностью потока нейтронов (>10¹⁴ нейтр./см²·с), эксплуатируются при весьма больших удельных объемных мощностях энерговыделения, доходящих до 1500-1700 кВт/л активной зоны. Для снятия такого большого количества тепла необходима значительная поверхность теплоотдачи твэлов на единицу массы делящегося изотопа, которую возможно получить как путем создания твэлов с развитой поверхностью (тонких пластинчатых и трубчатых, а также сложной формы), так и разбавлением делящего изотопа неделящимися металлическими или керамическими материалами и графитом.

Вид ядерного топлива, в котором делящийся  материал в виде мелких частиц из сплавов, интерметаллидов или соединений урана и плутония распределен  по объему неделящейся матрицы из конструкционного материала, получил  название дисперсионного ядерного топлива (ДЯТ).

В процессе выгорания ДЯТ осколки деления  локализуются внутри топливных частиц и в непосредственно прилегающих  к ним слоях матрицы, образуя  зону радиационного повреждения  ее кристаллической структуры, ширина которых равна длине пробега  осколка деления в матрице. ДЯТ  обычно изготавливается таким образом, чтобы зоны радиационного повреждения  матрицы не перекрывались между  собой, вследствие чего продукты деления  оказываются разобщенными. Это затрудняет образование и рост пузырьков  ГПД и обеспечивает тем самым  высокую радиационную стойкость  ДЯТ. Существующая технология позволяет  изготавливать твэлы с ДЯТ  в виде тонких пластин, труб, ребристых  стержней и т.д. При этом обеспечивается надежное металлургическое сцепление  поверхностей раздела сердечник-оболочка (диффузионная сварка, пайка твердым  припоем  т.п.), что имеет важное значение для достижения высоких тепловых нагрузок при глубоких выгораниях топлива.

Большое разнообразие материалов матрицы и  делящихся материалов позволяет  создавать дисперсные композиции с  высокими эксплуатационными характеристиками, которые превосходят соответствующие  характеристики металлического и керамического  ядерного топлива. В частности, ДЯТ  с металлическими матрицами имеет  высокую прочность и большую  теплопроводность при больших тепловых потоках. Оно хорошо противостоит коррозии во многих теплоносителях, удерживает продукты деления, слабо изменяет свои размеры под облучением, и обеспечивает достижений глубоких выгораний.

К недостаткам  ДЯТ следует отнести его высокую  стоимость, обусловленную необходимостью использования урана с большой  концентрацией делящегося изотопа (до 96 % ²³⁵U) вследствие значительного количества конструкционных материалов в композициях, бесполезно поглощающих нейтроны, а также более сложную технологию изготовления и регенерации.

Размерная стабильность ДЯТ, имеющая важное значение для достижения глубоких выгораний, определяется многими факторами, включающими в себя структуру, природу, свойства, совместимость и радиационную стойкость частиц топлива и материалов, использованных в качестве матричных, конструкции твэлов и условия их работы.

Структура дисперсного ядерного топлива.

В качестве элементов описания структуры дисперсной композиции могут быть использованы расстояния, на которые продукты деления  проникают в матрицу, объемная доля, размеры и форма частиц ядерного топлива, а также степень равномерности  их распределения в матрице. Важное значение имеют такие факторы, как толщина неповрежденной осколками деления перемычки матрицы между частицами топлива, среднее содержание продуктов деления в зонах повреждения, окружающих каждую частицу топлива, и их концентрация на единицу объема всей матрицы.

Сведения  о длине пробега продуктов  деления в некоторых топливных  и конструкционных материалах приведены  в таблице 1.1. Атомы продуктов деления, проникающие в матрицу, оказывают на нее двоякое воздействие, величина которого зависит от глубины выгорания топлива. С одной стороны, они вызывают радиационное повреждение кристаллической структуры матрицы, а с другой – изменяют ее состав.

Таблица 1.1

Длина пробегов осколков деления  в некоторых топливных  и конструкционных  материалах

 

Вступая в физико-химические воздействие  с матричными материалами, продукты деления могут вносить заметный дополнительный вклад в изменение  свойств матрицы в зонах радиационного  повреждения, расположенных вокруг частиц топлива. Поэтому для максимального  сохранения первоначальных свойств  матрицы необходима непрерывность  ее неповрежденной продуктами деления  части. Это требование выполняется в случае отсутствия касания или перекрытия зон радиационного повреждения матрицы.

Следует также отметить, что чем больше объемная доля неповрежденной продуктами деления матрицы, тем в большей  степени будут сохраняться ее исходные свойства, выбираемые таким  образом, чтобы обеспечить высокую  радиационную стабильность дисперсных топливных композиций. Исходя из этих соображений можно оценить роль и значение некоторых характеристик ДЯТ.

Идеальная структура ДЯТ. Рассмотрим гипотетическое дисперсное ядерное топливо, которое состоит из сферических однородных топливных частиц, расположенных в матрице по схеме гранецентрированного куба. Предположим также, что диффузия продуктов деления в матрицы отсутствует. В этом случае каждая частица топлива окружена сферической зоной поврежденной продуктами деления частицы матрицы, ширина которой равна длине пробега осколка деления в матрице. Тогда расстояние между частицами d будет равно:

d = d ́ + 2λ_m

где d ́ – расстояние между внешними границами зон радиационного повреждения, а – λ_m длина пробега осколка деления в матрице.

Для рассматриваемой  идеальной структуры существует следующая связь между d,диаметром топливной частицы D и объемной долей топливной фазы V_f:

d = [D·(0,74/V_f)^1/3 - 1],                                         (1.1)

которая справедлива, очевидно, при V_f ≤ 0,74. Проведенный с помощью выражения  (1.1) расчеты для различных значений D при V_f  = 0,2 представлены в таблице 1.2,из которой следует, что при размерах частиц, приближающихся к 20 мкм, происходит касание или перекрытие зон радиационного повреждения, т.е. нарушается требование непрерывности неповрежденной осколками деления частицы матрицы.

Зависимость расстояние между  частицами d от их диаметра D для объемной доли 0,2

 

 

 При  сохранении размеров частиц топлива,  как и в исходной системе,  касание или перекрытие зон  радиационного повреждения происходит  при увеличении объемной доли  топлива. В случае же снижения  объемной доли топлива размеры  частиц, при которых происходит  касание зон радиационного повреждения,  уменьшаются.

Уменьшение  диаметра топливной частицы увеличивает  также количество продуктов деления, проникающих в матрицу. Если диаметр  частицы меньше средней длины  свободного пробега продуктов деления  в матрице, то все они будут  ее покидать. Чем больше частица, тем  больше осколков деления будет оставаться в ней. Доля вылетевших из топливной частицы продуктов деления P(a) выражается уравнением:

                                  P(a) = 3/4(λ_f / D) – 1/16(2λ_f / D)³,                                                           (1.2)

где λ_f - длина пробега продукта деления в частице. Уравнение (1.2) справедливо при D ≥ λ_f. Суммарная доля осколков деления, вышедши из области непосредственно под поверхностью частицы P(f),связана с P(a) соотношением

                                  P(f) = P(a)/(1 – (1 - 2λ_f / D)).                                                                  (1.3)

Объемная доля матрицы, которая не повреждается продуктами деления V_m, зависит от объемной доли частиц топлива V_f связана с ней следующим выражением:

V_m = 1 –                                            (1.4)

Объемная  доля матрицы, которая остается неповрежденной продуктами деления, увеличивается  с ростом размера частиц, с уменьшением  их объемной доли и с уменьшением длины пробега осколков деления в матрице.

В реально  применяемых дисперсных композициях  размер частицы топлива лежит  в интервале от 50-200 мкм. Используя выражение (1.4), можно найти, что при диаметре частиц топлива 200 мкм и их объемном содержании 20,50 и 70 % объем неповрежденной частицы матрицы будет составлять соответственно 90.60 и 10 %. Такое резкое снижение последней характеристики требует внимательного подхода к выбору объемного содержания топливных частиц в дисперсном топливе. Оно, очевидно, зависит от размера частиц и не должно существенно превышать 50%, чтобы избежать значительных повреждений матрицы, вызываемых осколками деления.

Весьма  важным параметром ДЯТ, характеризующим степень радиационного повреждения кристаллической структуры матрицы в окрестностях топливных частиц, интенсивность физико-химического взаимодействия матрицы с продуктами деления. А также возможность образования газовых пузырей, является распределение продуктов деления как частицах топлива, так и в прилегающих к ним зонах радиационного повреждения частицы. С уменьшением размеров частиц все большая доля продуктов деления покидает их. По мере уменьшения расстояния между частицами происходит перекрытие зон радиационного повреждения матрицы и выравнивание концентрации продуктов деления по ее объем.

Суммируя  аналитическое рассмотрение идеальной  структуры дисперсной композиции, можно  сделать следующие выводы относительно структуры радиационно-стойкого ДЯТ:

1. Размер частиц топлива должен быть больше удвоенной величины пробега продукта деления в топливном материале;
2. Расстояние между частицами топлива должно превышать удвоенную ширину зоны радиационного повреждения матрицы;
3. Частицы топлива должны быть равномерно распределены в матрице;
4. Частицы топлива должны иметь форму, максимально приближающуюся к сферической, чтобы свести к минимуму поверхность контакта частиц топлива и матрицы, и уменьшить тем самым объем поврежденной продуктами деления части последней;
5. Объемная доля частиц топлива должна выбираться в соответствии  их размерами и объемом той доли матрицы, которая повреждается продуктами деления.