Конкурентоспособность и эффективность использования топлива в энергетических реакторах определяется уровнем достигнутых выгораний. Современные конструкции твэлов должны обеспечить выгорание до 70 ГВт’сут./т. Увеличение длительности кампании требует разработки и лицензирования тепловыделяющих элементов с повышенным эксплуатационным ресурсом. Среди множества факторов, определяющих работоспособность твэлов при высоких выгораниях, важное место занимает проблема силового взаимодействия топлива и оболочки (ВТО). Снижение напряжений при ВТО приведёт к уменьшению повреждений оболочки и, соответственно, увеличению ресурса твэла. Нагрузки на оболочке могут быть снижены путем использования топлива с низким сопротивлением деформированию.
В связи с этим, главным направлением решения задачи обеспечения надежности твэлов при высоких выгораниях специалисты большинства стран производителей топлива считают использование в твэлах энергетических реакторов диоксида урана с добавками легирующих элементов [1−3]. Легирование направлено на снижение сопротивления деформированию топлива, для уменьшения механического взаимодействия топлива с оболочкой в стационарных и переходных режимах и на увеличение размера зерна для ограничения выхода продуктов деления.
Специалистами Японии, США, Франции, Германии проведены широкие исследования поведения твэлов с легированным топливом при выгораниях до 80 ГВт’сут/т [4−6]. Получены результаты по выходу продуктов деления, изменению размеров оболочки и топливного столба, изменению структуры краевой зоны таблеток из диоксида урана с добавками оксида ниобия, оксида титана, оксида хрома и алюмосиликатов. Показано улучшение характеристик работоспособности твэлов с модифицированным топливом. Несмотря на то, что модификация состава и структуры топлива направлена на снижение механического взаимодействия сердечника и оболочки, данные по основному параметру, характеризующему снижение сопротивления деформированию — радиационной ползучести отсутствуют.
Обоснование использования легированного диоксида урана в качестве топлива энергетических реакторов предполагает, прежде всего, изучение размерной стабильности таблеток в процессе облучения и закономерностей накопления пластических деформаций в условиях ползучести.
Работа выполнена в рамках межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования РФ и Министерства РФ по атомной энергии по направлению «Научноинновационное сотрудничество» (Приказ Министерства образования РФ № 4659 от 27.12.2002) и в рамках программы «АЭС и ЯЭУ нового поколения с повышенной безопасностью» (постановление правительства РФ № 263 от 06.04.1996).
Нслыо работы явилось:
Разработка и усовершенствование экспериментальных средств для исследования процессов деформирования ядерного топлива. Получение, анализ и обобщение данных по ползучести, радиационному уплотнению и распуханию легированного диоксида урана для обоснования его использования в твэлах энергетических реакторов с повышенным эксплуатационным ресурсом.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1.Разработаны методы и экспериментальные средства для исследования радиационной ползучести, уплотнения и распухания оксидного ядерного топлива при проектных параметрах облучения в широком интервале температур.
2.Впервые проведены исследования и найдены закономерности изменения характеристик ползучести легированного диоксида урана с низким сопротивлением деформированию от напряжения, температуры, плотности деления.
3.Впервые получены экспериментальные данные по радиационному уплотнению и распуханию диоксида урана с низким сопротивлением деформированию.
4.Разработаны модели и рекомендации для учёта ползучести сердечников из легированного диоксида урана с низким сопротивлением деформированию в программах анализа работоспособности и лицензирования твэлов.
Практическая значимость работы:
1.Методики и экспериментальные средства исследования радиационной ползучести, радиационного уплотнения и распухания топлива внедрены на реакторе ИВВ-2М ФГУП «Институт реакторных материалов».
2.Результаты и расчётные рекомендации внедрены и используются в ФГУП ВНИИНМ им. академика A.A. Бочвара для анализа напряжённо-деформированного состояния, оценки ресурса и лицензирования твэлов.
Основные положения выносимые на защиту:
1. Разработанные и усовершенствованные экспериментальные средства исследования радиационной ползучести, радиационного уплотнения и распухания оксидного ядерного топлива.
2. Автоматизированные системы обеспечения испытаний.
3.Экспериментальные результаты исследования ползучести легированного диоксида урана с низким сопротивлением деформированию и закономерности изменения характеристик ползучести от температуры, напряжения и плотности деления.
4.Экспериментальные результаты исследования радиационного уплотнения и распухания легированного диоксида урана с низким сопротивлением деформированию.
5.Модели деформирования диоксида урана, учитывающие влияние температуры, напряжения, плотности деления, структуры и состава на характеристики ползучести.
6.Расчётные соотношения для учёта ползучести в программах анализа работоспособности и лицензирования твэлов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: научных сессиях МИФИ-99 (Москва, 1999 г.), МИФИ-2000 (Москва, 2000 г.), МИФИ-2002 (Москва, 2002 г.), МИФИ-2003 (Москва, 2003 г.), МИФИ-2004 (Москва, 2004 г.), конференции МАГАТЭ «Characterization and Quality control of nuclear fuels — CQCNF — 2000», (Hyderabad, 2002), конференции МАГАТЭ «Technical Committee Meeting on Improved Fuel Pellet Material and Designs» (Brussels, 2003), четвёртой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH. (Москва, 2004. г.).
3.4. Выводы.
1. Исследовались образцы диоксида урана в виде тонкостенных цилиндров следующего состава: 1Юг + 0,25 мае. % муллита (28Юг ЗА^Оз) + 0,1 мае. % ИЬгОз. Плотность образцов изменялась от 10,4 до 10,5 г/см3, средний размер зерна — 15−16 мкм, кислородный коэффициент -2,0035. Оксиды ниобия образуют твердый раствор в диоксиде урана, алюмосиликат образует выделения по границам зерен.
2. Показано, что введение добавок приводит к увеличению скорости ползучести легированного топлива в 20 — 50 раз по сравнению с диоксидом урана штатной технологии. В интервале температур 1250 — 1450 °C, при напряжениях 10−40 МПа проведены исследования термической ползучести диоксида урана с добавками алюмосиликата и оксида ниобия. Определены закономерности изменения скорости ползучести от температуры и напряжения.
3. Анализ экспериментальных данных показал, что при низких напряжениях преобладают диффузионные механизмы деформации, а при более высоких — механизмы основанные на переползании дислокаций.
4. Скорость радиационной ползучести топлива с низким сопротивлением деформированию в области низких температур 280−660 °С линейно зависит от приложенных напряжений и от плотности деления. Скорость радиационной ползучести топлива с низким сопротивлением деформированию в интервале 320 — 660 °C не зависит от температуры. В области температур 660 -945 °С наблюдается переходной участок, на котором скорость ползучести постепенно увеличивается.
5. При температурах выше 945 °C наблюдается ползучесть, зависящая от температуры с энергией активации 246 кДж/моль.
6. В атермической области скорость радиационной ползучести топлива с низким сопротивлением деформированию в 2,5 — 3,8 раза выше скорости ползучести топлива штатной технологии. В области термически активируемой ползучести увеличение скорости более существенно: в 4,5 раза при 945 °C и в 10−12 раз при больших температурах.
7. В эксперименте по изучению радиационного уплотнения и распухания легированного топлива, максимальное уменьшение высоты топливного столба наблюдалось при выгораниях (7 -10 1.
8)10 дел/см. Абсолютное значение уменьшения высоты, вызванное уплотнением топлива, равно 79−81 мкм, что составляет 0,11% от первоначального значения. Изменение объема образцов за счет радиационного уплотнения составило 0,33%. Это значение существенно ниже принятых в техническом проекте твэла ВВЭР — 1000 допустимых изменений объема сердечника вследствие уплотнения.
8. Значение скорости распухания легированного топлива составило 0,59% на один процент выгорания. Это соответствует общепринятой величине скорости распухания для диоксида урана штатной технологии за счет накопления твердых продуктов деления.
4. Разработка моделей и рекомендации для обобщения и прогнозирования характеристик ползучести диоксида урана.
4−1).
4.1. Разработка модели и расчетных рекомендаций для обобщения и прогнозирования скорости ползучести диоксида урана в термических условиях.
Анализ экспериментальных данных по термической ползучести диоксида урана показал, что скорость ползучести линейно зависит от напряжений при ст < 40 МПа. При больших напряжениях наблюдается степенная зависимость с показателем степени 4−5. При низких напряжениях скорость ползучести обратно пропорциональна квадрату размера зерна. Энергия активации ползучести близка к энергии активации диффузии урана по вакансионному механизму. Эти закономерности позволяют утверждать, что в области низких температур ползучесть контролируется диффузионным механизмом типа Набарро — Херринга, при более высоких напряженияхпроцессами переползания дислокаций. Следовательно, в широком интервале изменения напряжений скорость ползучести может быть описана суммой двух членов [63]: аПоРу р а45Ру.
Ш2 + кт4Ш[1У5 ' где аирпостоянные, зависящие от степени релаксации касательных напряжений на границе зерна (а=13, Р=2,5 при отсутствии скольжения по границам зерен, но эти коэффициенты могут изменяться) — Qатомный объем, равный 4−10″ м — ?=1,38−10'23 Дж/К- (1 — размер зернаРукоэффициент объемной диффузииГ — абсолютная температураЪ- вектор БюргерсаN — плотность подвижных дислокаций (или плотность источников) — ц — модуль сдвига.
Диоксид урана является ионным соединением. При этом, кристалл должен быть электрически нейтральным, что определяет соотношение между концентрациями вакансий анионов и катионов, и суммарный поток при движении дефектов должен быть равен нулю. Это определяет соотношение между потоками анионов и катионов. В выражении (4.1) вместо Ру необходимо использовать эффективный коэффициент диффузии Д, фф.
Для соединения иОг+х, в котором частицы обоих сортов диффундируют по вакансионному механизму, эффективный коэффициент диффузии будет иметь вид [110]: г, 3 Але/Ало (* 2 фф ~ 2Р + Р ' { } где Рц! и, В5С1окоэффициенты самодиффузии точечных дефектов в урановой и кислородной подрешетке соответственно. Коэффициенты самодиффузии расчитываются по соотношениям:
4.3).
ЫО '.
4.4).
АмУ = ВууСуу ,.
ВуЗС1о = Ву0 СУ0,ыо = Вуо Суо, А*</ — ВшС1и, где Иу^и, А^сл Ок<�ю, А"ю — коэффициенты самодиффузии вакансий и интерстиций урана и кислорода. Расчет коэффициентов самодиффузии можно выполнить, зная концентрации дефектов:
4.5).
4.6).
4.7).
4.8) где Буц, Буо — коэффициенты диффузии катионов урана и анионов кислорода по вакансионному механизму, а Бщ, До — коэффициенты диффузии соответственно анионов урана и катионов кислорода по механизму вытесненияС у и, Сщ — концентрация вакансий и интерстиций урана, Суо, Сю — концентрация вакансий и интерстиций кислорода.
Расчет коэффициентов диффузии катионов урана и анионов кислорода по вакансионному механизму можно проводить по следующим формулам [102]:
Пуу =-^а2Л/гиех Р.
АН.
Ути кТ ЬНутО Л кТ ехр ехр АБ,.
Ути а°УтО.
4.9).
4.10) где а-параметр решетки, /о — собственная частота колебаний- /уи, /га — корреляционный геометрический фактор соответственно для вакансий урана и кислородаАНутц, АНутоэнтальпия активации миграции вакансий урана и кислородаА3утц, АЯуто, -энтропия активации миграции вакансий урана и кислорода.
Расчет коэффициентов диффузии катионов урана и анионов кислорода по механизму вытеснения можно проводить по следующим формулам.
АV = тт^УоЛ/ ехР.
1 .2.
ЛЯ&bdquoт11 кТ ехр
А5, ыи, а ехр
АЯ,.
1тО кТ ехр
А51, тО.
4.11).
4.12) где /?и,/ю — корреляционный геометрический фактор для интерстиций урана и кислородаАН^ц, ЬЛто — энтальпия миграции интерстиций урана и кислородаА5, т (л А5/то — энтропия миграции интерстиций урана и кислорода.
В чистом диоксиде урана (концентрация примесей много меньше термодинамической концентрации вакансий) существуют следующие виды дефектов: пары Френкеля кислорода, пары Френкеля урана и дефекты Шоттки, представляющие собой нейтральную тривакансию из одной вакансии урана и двух кислорода. Закон действующих масс, связывающий концентрации разного сорта дефектов позволяет составить уравнения, описывающие дефекты, образованные атомами урана (вакансии и интерстиции) [63,111]:
АН,.
Суи С ¡-и — ехР ехр ¡-и кТ К.
А" .
4.13) где Д5д/, АН/и — энтропия и энтальпия образования пары Френкеля для урана, к — постоянная Больцмана, Т — температура.
Уравнение, описывающее дефекты, образованные атомами кислорода (вакансии и интерстииции):
Суо ~ф f AS jo exp.
АН jo kT K.
JO'.
4.14) где АН/о — энтропия и энтальпия образования пары Френкеля для кислорода.
Уравнение, описывающее образование пары Шоттки (т.е. на отрицательную заряженную вакансию урана приходится две положительно заряженных вакансии кислорода):
С VU Суо ~ ехР.
AS. exp -•.
АЯ, kT К su '.
4.15) где А"^, ДЯ5 — энтропия и энтальпия образования пары Шоттки.
Систему уравнений (4.13−4.15) необходимо дополнить условием электронейтралыюсти. Учитывая, что концентрация точечных дефектов урана (вакансий и интерстиций) пренебрежимо мала по отношению к концентрации точечных дефектов кислорода, условие электронейтральности можно записать в следующем виде: х = 2{Сю-СУ0). (4.16).
Решая систему уравнений можно рассчитать все неизвестные величины (все концентрации дефектов). В итоге получим:
Сю = (4 К jo)/(jx2+16К/0 — х), = (л]х2+6К/0-х)/4, i+loK^-xjyiloK SU J'.
Cw = {6Ksu)l^{jx2 +6KJ0 -xj.
4.17).
5.
Заключение
.
1. Для исследования радиационной ползучести оксидного топлива в условиях облучения применительно к реактору ИВВ-2М разработана внутриканальная установка «ПОСТ-УРАЛ-М». Выбранные конструктивные параметры обеспечивают уровень температур в диапазоне 200 -1100°С при энерговыделениях 200−600 Вт/см3. Установка внедрена в ФГУП ИРМ.
2. Для исследования радиационного уплотнения и распухания оксидного топлива применительно к реактору ИВВ-2 разработана внутриканальная установка «РАСТ-УРАЛ». Выбранные конструктивные параметры обеспечивают уровень температур в диапазоне 200 — 700 л и при энерговыделениях 200−600 Вт/см. Установка внедрена в ФГУП ИРМ.
3. Разработан и создан комплекс измерительных систем для автоматизированного контроля и регулирования температуры, измерения деформации, сбора и регистрации данных в ходе реакторного эксперимента.
4. Проведена модернизация установки «КРИП-М» для исследования характеристик ползучести оксидного топлива. Перекомпоновка системы измерения деформации и введение компенсации температурных расширений удлинительных штоков, привели к существенному повышению точности измерения деформации образца.
5. Установлено, что комплексное легирование диоксида урана смесью стеклообразующих оксидов, включающих оксиды кремния и железа в концентрации до 0,25 мае. % и оксидом ниобия в концентрации до 0,2 мае %, приводят к увеличению скорости термической ползучести в 15−30 раз в области температур 1200−1500 °С, при сжимающих напряжениях до 40 МПа.
6. Показано, что топливо, легированное 0,25 мае. % (28 102 ЗАЬОз) и 0,1 мае. % № 205, имеет лучшую размерную стабильность на начальной стадии облучения по сравнению с диоксидом урана без добавок. Максимальное уменьшение высоты топливного столба равно 0,11%, что соответствует изменению объема на 0,33%.
7. Показано, что скорость радиационной ползучести топлива, легированного 0,25 мае. % (2БЮг ЗАЬОз) и 0,1 мае. % МэгОб, в интервале 320 — 660 °C не зависит от температуры. При температурах выше 945 °C наблюдается термоактивированная ползучесть с энергией активации 246 кДж/моль. В атермической области скорость радиационной ползучести топлива с низким сопротивлением деформированию в 2,5 — 3,8 раза выше скорости ползучести топлива штатной технологии. В области термически активируемой ползучести скорость увеличивается в 10−12 раз.
8. Показано, что топливо из легированного диоксида урана отвечает критерию по размерной стабильности, принятому для твэлов энергетических реакторов. Его сопротивление деформированию в зависимости от условий эксплуатации в 2,5−30 раз ниже, чем для диоксида урана штатной технологии.
9. Разработаны и верифицированы расчётные рекомендации, описывающие термическую и радиационную ползучесть штатного и легированного топлива. Предложенные соотношения пригодны для расчёта термической и радиационной скорости ползучести, штатного и легированного топлива, в зависимости от плотности деления, температуры, напряжения, пористости, размера зерна и кислородного коэффициента, используются в программах анализа работоспособности и лицензирования твэлов.
