Сторінка 4 з 39
Тип ядерного реактора і його експлуатаційні параметри, такі як енергія нейтронів, розподіл і інтенсивність нейтронного поля в обсязі активної зони, температура, швидкість і склад теплоносія, багато в чому визначають коло матеріалознавчих і інших проблем, що постають при розробці конструкції і технології виготовлення твелів.
У табл. 1.1 наведено температурний діапазон роботи матеріалів різних типів реакторів. Видно, що в залежності від призначення реактора і використовуваного теплоносія різко змінюються експлуатаційні температури ядерного палива і конструкційних матеріалів.
Таблиця 1.1. Температурний діапазон роботи матеріалів для різних типів реакторів
ТВЕЛ працює в дуже важких умовах. На нього діють потужні потоки швидких і теплових нейтронів, що відрізняються нерівномірністю; при передачі великих теплових потоків в оболонці виникають значні термічні напруги; вода високих параметрів надає корозійне і ерозійне вплив на оболонку, ще сильніше корозійний вплив води в стані кипіння. на стінках твелів осідають солі, що підвищують температуру і прискорюють корозію; в рідких металах і сплавах спостерігається небажане явище - перенесення маси (висаджування металів і їх з'єднань на холодних ділянках); органічні теплоносії, полімеризуючись, утворюють опади на оболонках твелів; при распухании твела виникають додаткові тангенціальні напруги в оболонці; все це негативно впливає на роботу твела при тривалій експлуатації.
Працездатність твела в реакторі визначається трьома факторами: конструкцією, якістю виготовлення і режимом експлуатації активної зони.
Зазвичай конструкторські розробки твелів починають після попереднього розрахунку реактора, коли визначена завантаження палива. Основними характеристиками всього різноманіття форм твелів, конструкцій ТВС і їх числа є активний обсяг, яку він обіймав паливом, і поверхня твела, які забезпечують можливу завантаження реактора ядерним паливом і відведення тепла. Співвідношення цих величин, мабуть, є найбільш вірним критерієм порівняння різних типів конструкцій твелів і ТВС. Це співвідношення для твелів і ТВС має бути оптимальним, оскільки бажання розвинути поверхню теплос'ема неминуче призводить до скорочення активного об'єму твела, підвищенню збагачення палива і збільшення маси конструкційних матеріалів і палива в АЗ; навпаки, бажання збільшити активний обсяг призводить до скорочення поверхні теплос'ема, значного підвищення максимальної температури твела, зменшення надійності роботи твелів при заданої потужності.
В процесі проектування, враховуючи досвід експлуатації відомих конструкцій, можна орієнтовно визначити близько до реальних умов робочі температури твелів, термічні та інші напруги в них, міцності запаси конструкційних матеріалів, теплофізичні і гідравлічні характеристики ТВЗ і максимально можливі величини теплос'ема. Отримані дані використовуються для проведення детального фізичного розрахунку, що перевіряється фізичним експериментом, остаточного вибору типу твелів, уточнення конструкції і технології виготовлення.
Найбільшу трудність при конструюванні ТВС представляє таке дистанціювання твелів в ній, при якому ТВС одночасно задовольняє механічним (міцність конструкції), гідродинамічним (малий опір і рівномірне охолодження твелів), теплотехнічних і іншим вимогам. Слід забезпечувати вільне пересування твелів в ТВЗ при їх тепловому розширенні, а також запобігати механічний вплив на твели з боку кожуха і кріпильних деталей ТВС.
Розглядаючи вимоги, що пред'являються до ТВЕЛ, необхідно відразу обумовити два з них, що випливають із завдання створення певної АЗ: по-перше, у Твелах повинно міститися стільки ядерного палива, скільки необхідно на всю розрахункову кампанію, і по-друге, ТВЕЛ повинен надійно працювати всю кампанію
і витримувати розрахункові вигоряння палива без руйнування оболонки. У нейтронном поле при тривалій експлуатації можливо значна зміна фізико-хімічних властивостей матеріалів; в зв'язку з цим потрібні тонкі Металознавчі дослідження опромінених матеріалів на сумісність, так як остання по суті визначає граничну робочу температуру і методи виготовлення. Крім того, що конструкційні матеріали повинні мати мінімальний перетин захоплення нейтронів, вони повинні бути корозійно і ерозиційностіцкого; продукти корозії слід оцінювати виходячи з їх ядерної активності та безпеки при експлуатації реактора, наприклад наявність кобальту та інших високоактивних елементів з великим періодом напіврозпаду небажано. Конструкція і вибрані матеріали повинні бути механічно міцними, щоб зберігати форму, розміри і герметичність протягом всього періоду роботи твела. Технологія виготовлення крім економічності повинна забезпечувати високу якість твела (необхідні розміри і форму, рівномірний розподіл палива, гарну герметизацію) і надійний приладовий контроль. Слід пам'ятати і про регенерації відпрацьованих твелів з метою повернення ядерного палива, тому матеріали твела повинні відповідати технологічним умовам процесів переробки.
Таблиця 1.2. Хімічні сполуки, які можуть розглядатися як ядерне паливо
* Температура разупрочнения. ** Температура перитектической реакції. *** Температура розпаду. у
-
Створення надійних, працездатних зон з великими плотностями енерговиділення при високих рівнях температур і ефективне використання ядерного палива пов'язані з великими труднощами. З одного боку, матеріал палива повинен мати максимально можливу концентрацію ділиться нукліда в одиниці об'єму (табл. 1.2), з іншого - паливний сердечник повинен зберігати стабільність розмірів і хімічного складу під опроміненням, а максимальна робоча температура повинна бути значно нижче температури плавлення і фазових перетворень , якщо такі є. З урахуванням цих вимог стає неможливим використання чистого металевого плутонію, не кажучи вже про його токсичності і високої хімічної активності. Запобігання великих перепадів температур по перетину твела досягається використанням матеріалів з хорошою теплопровідністю; однак виконання інших вимог призводить до використання матеріалу з меншою теплопровідністю; так, якщо на початку реакторобудування використовували металевий уран або його сплави, то в останнє десятиліття у всіх типах реакторів широко застосовують спечену двоокис урану, хоча її теплопровідність в 5-8 разів менше (рис. 1.13); спеченная двоокис урану відрізняється інертністю до води високих параметрів і стійкістю в газах (CO2, Н2 і ін.), сумісна з багатьма металевими матрицями, має високу температуру плавлення, изоморфность решіток UO2, PuO2 і ThO2 дозволяє поєднувати у Твелах швидких реакторів ділиться і відтворює матеріали .
Мал. 1.13. Температурна залежність коефіцієнта теплопровідності (в об'ємних частках):
Останнім часом все більше уваги приділяється паливу на основі карбідів і нітридів; так, UC містить урану в одиниці об'єму на 30% більше, ніж UO2, а теплопровідність його на порядок вище. Нітрид урану (UN) володіє ще більшою ураноемкостью, теплопровідність зростає з температурою і досягає 21- 26 Вт / (м-К) при 800-1000 ° С; мононитрида урану слабо реагує з водою, непірофорен, його можна зберігати і обробляти навіть у вологому повітрі, останні властивості вигідно відрізняють його від карбіду урану.
Изоморфность решіток UO, UC, UN, PuC і PuN дозволяє сподіватися на отримання стійких складних з'єднань, таких як карбонітриди і оксікарбонітріди урану і плутонію, які будуть використані в якості ядерного палива.
Хімічна стійкість по відношенню до повітря, парам води, матеріалами оболонки, матриці і теплоносія є одним з основних вимог до паливних матеріалів, так як відсутність помітного взаємодії визначає працездатність більшості твелів енергетичних і інших реакторів.
Мал. 1.14. Температурна залежність енергії Гіббса деяких реакцій:
Хімічна стійкість і сумісність палива з іншим матеріалом, наприклад оболонки, визначається зміною енергії Гіббса всієї системи в цілому, включаючи продукти можливих реакцій. Дані про деякі таких реакціях, що представляють інтерес з точки зору застосування розглянутих матеріалів, наведені на рис. 1.14. Іноді можуть бути використані паливні композиції, які не є термодинамічно стійкими, наприклад UO2 - Mg або UO2 - А1, однак стійкість таких композицій в реакторних умовах вимагає особливо ретельної експериментальної перевірки, оскільки опромінення може прискорювати дифузійні процеси взаємодії.
При порушенні герметичності твелів особливої гостроти набувають питання взаємодії палива з теплоносієм, яким можуть служити вода, рідкі метали, гази або органічні сполуки.