Ядерное топливо т
.7.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ФИЗИЧЕСКОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
В семи томах
Под общей редакцией Б. А. Калина
Издание второе, переработанное
Том 7
ЯДЕРНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Рекомендовано ИМЕТ РАН в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению
«Ядерные физика и технологии» Регистрационный номер рецензии 011 от 17 декабря 2007 г. МГУП
Москва 2012
УДК 620.22(075) ББК 30.3я7 К 17
ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Учебник для вузов. / Под общей ред. Б.А. Калина. – М.: НИЯУ МИФИ, 2012.
ISBN 978-5-7262-1793-2
Том 7. ЯДЕРНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ / В.Г. Баранов, Ю.Г. Го-
дин, А.В. Тенишев, А.В. Хлунов, В.В. Новиков. – М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – 640 с.
Учебник «Физическое материаловедение» представляет собой 7-том- ное издание учебного материала по всем учебным дисциплинам базовой материаловедческой подготовки, проводимой на 5–9 семестрах обучения студентов по кафедре Физических проблем материаловедения Национального исследовательского ядерного университета «Московский инже- нерно-физический институт».
Том 7 содержит описание ядерных топливных материалов, применяемых в ядерных реакторах и перспективных, включая металлическое урановое и плутониевое топливо, диоксидное урановое и смешанное уранплутониевое топливо, карбидное и нитридное урановое и смешанное уран-плутониевое топливо, дисперсное ядерное топливо и дисперсное ядерное топливо на основе микротвэлов. Подробно рассмотрены струк- турно-фазовые состояния материалов, свойства и применение.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по направлениям «Ядерная физика и технологии» и «Материаловедение», и аспирантов, специализирующихся в области физики конденсированных сред и материаловедения, и может быть полезен молодым специалистам в области физики металлов, твердого тела и материаловедения.
Учебник подготовлен в рамках Инновационной образовательной программы НИЯУ МИФИ.
ISBN 978-5-7262-1793-2
ISBN 978-5-7262-1818-2 (т.7)
©Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2012
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Основные условные обозначения и сокращения........................................... |
9 |
Предисловие тому 7 ....................................................................................... |
12 |
Глава 29. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЯДЕРНОМ ТОПЛИВЕ......................... |
15 |
29.1. Состав ядерного топлива и его классификация ............................ |
19 |
29.2. Выгорание и энергонапряженность ядерного топлива................. |
20 |
29.3. Условия работы топливных материалов........................................ |
22 |
29.4. Требования к ядерному топливу .................................................... |
23 |
29.5. Особенности ядерного топлива ...................................................... |
24 |
29.6. Тепловыделяющие элементы.......................................................... |
25 |
Контрольные вопросы.................................................................................... |
28 |
Глава 30. МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО............................... |
29 |
30.1. Уран и его сплавы............................................................................ |
29 |
30.1.1. Получение металлического урана. |
|
Макро- и микроструктура..................................................... |
30 |
30.1.2. Физические свойства урана .................................................. |
34 |
30.1.3. Механические свойства урана .............................................. |
41 |
30.1.4. Поведение урана при циклических изменениях |
|
температуры........................................................................... |
52 |
30.1.5. Термическая обработка урана............................................... |
60 |
30.1.6. Сплавы урана ......................................................................... |
68 |
30.1.7. Диаграммы состояния двойных сплавов урана................... |
70 |
30.1.8. Диаграммы состояния тройных сплавов урана................... |
77 |
30.1.9. Альфа-сплавы урана .............................................................. |
78 |
30.1.10. Гамма-сплавы урана ............................................................ |
97 |
30.1.11. Сплавы уран-фиссиум ....................................................... |
102 |
30.1.12. Коррозия урана .................................................................. |
105 |
30.1.13. Совместимость урана и его сплавов |
|
с конструкционными материалами оболочек твэлов..... |
110 |
30.1.14. Влияние облучения на уран и его сплавы ....................... |
117 |
30.2. Плутоний и его сплавы.................................................................. |
135 |
30.2.1. Получение металлического плутония |
|
и его обработка.................................................................... |
136 |
30.2.2. Физические свойства плутония .......................................... |
138 |
30.2.3. Механические свойства плутония...................................... |
142 |
30.2.4. Фазовые превращения в плутонии..................................... |
143 |
30.2.5. Поведение плутония при циклических |
|
изменениях температуры.................................................... |
147 |
30.2.6. Термическая обработка плутония ...................................... |
150 |
3
30.2.7. Коррозия плутония .............................................................. |
150 |
30.2.8. Сплавы плутония ................................................................. |
152 |
30.2.9. Самооблучение плутония и его сплавов............................ |
164 |
Контрольные вопросы.................................................................................. |
168 |
Глава 31. ОКСИДНОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО.......................................... |
171 |
31.1. Технология получения таблетированного |
|
оксидного топлива......................................................................... |
173 |
31.1.1. Технологические свойства порошков ................................ |
173 |
31.1.2. Получение порошков UO2, PuO2 и (U,Pu)О2..................... |
174 |
31.1.3. Требования к таблеткам ...................................................... |
181 |
31.1.4. Получение таблеток............................................................. |
186 |
31.1.5. Получение и использование |
|
гранулированного топлива................................................. |
213 |
31.2. Структурно-фазовое состояние оксидов...................................... |
222 |
31.2.1. Диаграмма состояния системы уран–кислород ................ |
224 |
31.2.2. Диаграмма состояния системы плутоний–кислород ........ |
225 |
31.2.3. Диаграмма состояния системы |
|
уран–плутоний–кислород................................................... |
226 |
31.2.4. Кристаллическая структура и межатомная связь.............. |
227 |
31.2.5. Фазовое состояние и микроструктура................................ |
228 |
31.2.6. Нестехиометрия оксидов..................................................... |
228 |
31.3. Физико-химические свойства диоксидов .................................... |
230 |
31.3.1. Кислородный потенциал ..................................................... |
230 |
31.3.2. Испарение оксидного топлива............................................ |
236 |
31.3.3. Теплофизические свойства топливных оксидов ............... |
239 |
31.3.4. Электропроводность............................................................ |
259 |
31.3.5. Диффузионная подвижность .............................................. |
260 |
31.4. Механические свойства................................................................. |
261 |
31.4.1. Упругие характеристики ..................................................... |
261 |
31.4.2. Прочность и пластичность.................................................. |
262 |
31.4.3. Термическая ползучесть...................................................... |
264 |
31.4.4. Радиационная ползучесть ................................................... |
271 |
31.5. Совместимость диоксида с конструкционными |
|
материалами и теплоносителями ................................................. |
274 |
31.6. Структурные изменения при выгорании ..................................... |
278 |
31.6.1. Перестройка структуры....................................................... |
279 |
31.6.2. Образование структуры высокого выгорания |
|
в топливе реакторов на тепловых нейтронах.................... |
284 |
31.6.3. Поры в оксидном топливе................................................... |
304 |
31.6.4. Рост столбчатых зерен......................................................... |
311 |
31.6.5. Рост равноосных зерен ........................................................ |
312 |
4
31.6.6. Радиационное доспекание................................................... |
314 |
31.7. Перераспределение кислорода и актиноидов....................... |
317 |
31.7.1. Перераспределение кислорода ........................................... |
317 |
31.7.2. Перераспределение актиноидов ......................................... |
320 |
31.8. Состояние и поведение твердых продуктов деления ................. |
322 |
31.8.1. Физическое состояние продуктов деления........................ |
324 |
31.8.2. Химическое состояние продуктов деления ....................... |
325 |
31.8.3. Влияние выгорания на кислородный потенциал .............. |
330 |
31.8.4. Миграция продуктов деления............................................. |
332 |
31.9.Физико-химическое взаимодействие МОХ-топлива и продуктов деления с оболочкой из коррозионно-стойкой стали в твэлах
быстрых реакторов ........................................................................ |
335 |
31.9.1. Окисление коррозионно-стойкой стали ............................ |
335 |
31.9.2. Взаимодействие оболочки твэла |
|
из коррозионно-стойкой стали |
|
с продуктами деления ......................................................... |
337 |
31.10. Радиационное распухание и выделение газообразных |
|
продуктов деления....................................................................... |
341 |
31.10.1. Распухание из-за накопления твердых ПД...................... |
341 |
31.10.2. Распухание из-за накопления газообразных ПД............. |
343 |
31.10.3. Факторы, влияющие на выход газообразных |
|
продуктов деления ............................................................ |
348 |
Контрольные вопросы.................................................................................. |
352 |
Глава 32. КАРБИДНОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО ........................................ |
355 |
32.1. Диаграммы состояния простых и смешанных |
|
карбидов урана и плутония........................................................... |
357 |
32.1.1. Диаграмма состояния системы уран–углерод................... |
357 |
32.1.2. Диаграмма состояния системы плутоний–углерод .......... |
359 |
32.1.3. Диаграмма состояния системы |
|
уран–плутоний–углерод ..................................................... |
361 |
32.2. Свойства карбидов урана и плутония .......................................... |
362 |
32.2.1. Механические свойства....................................................... |
362 |
32.2.2. Теплофизические свойства ................................................. |
367 |
32.2.3. Диффузионная подвижность .............................................. |
373 |
32.2.4. Испарение карбидного топлива.......................................... |
377 |
32.3. Влияние облучения на свойства карбидного топлива ................ |
379 |
32.3.1. Радиационная ползучесть ................................................... |
379 |
32.3.2. Влияние облучения на диффузионные процессы ............. |
380 |
32.3.3. Изменение микротвердости при облучении...................... |
381 |
32.3.4. Изменение теплопроводности ............................................ |
381 |
32.4. Совместимость карбидов урана и плутония |
|
5
с конструкционными материалами .............................................. |
381 |
32.4.1. Совместимость с аустенитными сталями .......................... |
382 |
32.4.2. Совместимость плутонийсодержащих карбидов |
|
с материалами оболочки..................................................... |
385 |
32.4.3. Влияние облучения на совместимость карбидов урана |
|
и плутония с конструкционными материалами................ |
386 |
32.5. Радиационное распухание............................................................. |
393 |
32.5.1. Радиационное распухание монокарбида урана................. |
393 |
32.5.2. Радиационное распухание смешанных карбидов ............. |
397 |
32.5.3. Механизм распухания карбидного топлива ...................... |
401 |
32.6. Перестройка структуры топлива в результате облучения.......... |
403 |
32.7. Выделение ГПД из карбидного топлива...................................... |
405 |
32.7.1. Радиальное распределение ГПД......................................... |
405 |
32.7.2. Факторы, влияющие на выделение ГПД ........................... |
406 |
32.7.3. Выделение ГПД из смешанных карбидов урана |
|
и плутония............................................................................ |
410 |
32.8. Поведение твердых продуктов деления и плутония................... |
415 |
32.8.1. Распределение твердых продуктов деления...................... |
415 |
32.8.2. Распределение плутония ..................................................... |
418 |
32.9. Влияние ПД на взаимодействие топлива с оболочкой твэла..... |
420 |
Контрольные вопросы.................................................................................. |
422 |
Глава 33. НИТРИДНОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО........................................ |
423 |
33.1. Получение нитридного ядерного топлива................................... |
424 |
33.1.1. Карботермический метод.................................................... |
424 |
33.1.2. Получение из исходных металлов...................................... |
426 |
33.1.3. Изготовление топливных сердечников.............................. |
428 |
33.2. Физико-химические свойства нитридов ...................................... |
429 |
33.2.1. Диаграмма состояния системы уран-азот.......................... |
429 |
33.2.2. Диаграмма состояния системы плутоний-азот ................. |
431 |
33.2.3. Диаграмма состояния системы уран–плутоний–азот....... |
432 |
33.2.4. Термическая стабильность уранового и смешанного |
|
уран-плутониевого нитридного топлива........................... |
434 |
33.3. Механические свойства нитридов................................................ |
437 |
33.3.1. Твердость и микротвердость .............................................. |
437 |
33.3.2. Термическая ползучесть мононитрида .............................. |
437 |
33.3.3. Упругие модули смешанного уранового |
|
и уран-плутониевого нитридного топлива........................ |
439 |
33.4. Теплофизические свойства мононитридов.................................. |
442 |
33.4.1. Тепловое расширение и параметр решётки....................... |
442 |
33.4.2. Теплоёмкость ....................................................................... |
443 |
33.4.3. Теплопроводность .............................................................. |
448 |
6
33.5. Диффузия компонентов в мононитриде ...................................... |
457 |
33.6. Совместимость мононитридого топлива |
|
с материалами оболочек................................................................ |
458 |
33.7. Влияние облучения на свойства мононитрида............................ |
460 |
33.7.1. Радиационная ползучесть ................................................... |
460 |
33.7.2. Радиационное распухание нитридного топлива. .............. |
462 |
33.7.3. Перестройка структуры....................................................... |
464 |
33.8. Выделение ГПД из нитридного топлива ..................................... |
465 |
33.8.1. Радиальное распределение ГПД......................................... |
465 |
33.8.2. Факторы, влияющие на выделение ГПД ........................... |
466 |
Контрольные вопросы.................................................................................. |
468 |
Глава 34. ДИСПЕРСНОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО ..................................... |
469 |
34.1. Структура дисперсного ядерного топлива .................................. |
470 |
34.1.1. Идеальная структура ДЯТ................................................... |
472 |
34.1.2. Реальная структура ДЯТ ..................................................... |
477 |
34.2. Свойства материалов матрицы и топлива ................................... |
479 |
34.2.1. Материалы матриц............................................................... |
479 |
34.2.2. Делящиеся материалы ......................................................... |
483 |
34.3. Влияние состава и свойств исходных компонентов |
|
на свойства ДЯТ............................................................................. |
486 |
34.4. Совместимость компонентов ДЯТ ............................................... |
489 |
34.5. Радиационная стабильность ДЯТ................................................. |
496 |
34.6. Применение ДЯТ в ядерных реакторах ....................................... |
500 |
34.6.1. ДЯТ с матрицей из алюминия ............................................ |
500 |
34.6.2. ДЯТ с матрицей из магния.................................................. |
516 |
34.6.3. ДЯТ с матрицей из аустенитной стали .............................. |
519 |
34.6.4. ДЯТ с матрицей из никеля .................................................. |
528 |
34.6.5. ДЯТ с матрицей из тугоплавких металлов ........................ |
531 |
34.6.6. ДЯТ с оксидной матрицей .................................................. |
535 |
Контрольные вопросы.................................................................................. |
539 |
Глава 35. ДИСПЕРСНОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО |
|
НА ОСНОВЕ МИКРОТВЭЛОВ .................................................. |
541 |
35.1. Дисперсные твэлы и ТВС ВТГР ................................................... |
543 |
35.2. Микротвэлы и их конструктивные особенности ........................ |
546 |
35.2.1. Характеристики топливных микросфер ............................ |
546 |
35.2.2. Типы покрытий и назначение входящих в них слоев....... |
547 |
35.2.3. Толщина слоев покрытия.................................................... |
550 |
35.3. Топливные микросферы................................................................ |
556 |
35.3.1. Методы получения микросфер........................................... |
556 |
7
35.3.2. Химический состав микросфер .......................................... |
557 |
35.3.3. Совместимость МС с пироуглеродом................................ |
559 |
35.4. Строение и свойства покрытий .................................................... |
561 |
35.4.1. Пироуглеродные покрытия. Методы нанесения............... |
562 |
35.4.2. Структура пироуглерода ..................................................... |
562 |
35.4.3. Микроструктура пироуглерода .......................................... |
563 |
35.4.4. Анизотропия пироуглерода ................................................ |
566 |
35.4.5. Физико-химические свойства пироуглеродных |
|
покрытий.............................................................................. |
568 |
35.4.6. Радиационная стойкость пироуглерода ............................. |
571 |
35.4.7. покрытия из карбида кремния ............................................ |
580 |
35.4.8. Метод нанесения карбидных слоев.................................... |
580 |
35.4.9.Структура карбидных покрытий ......................................... |
581 |
35.4.10. Свойства и радиационная стойкость покрытия SiC ....... |
582 |
35.5. Выход продуктов деления из топлива ВТГР............................... |
584 |
35.5.1. Выход осколочных элементов при делении ядер урана |
|
и их свойства ....................................................................... |
585 |
35.5.2. Химическое состояние продуктов деления ....................... |
588 |
35.5.3. Источники утечки продуктов деления |
|
из топлива ВТГР.................................................................. |
590 |
35.5.4. Механизмы миграции и утечки продуктов деления |
|
из топлива ВТГР.................................................................. |
593 |
35.5.5. Утечка газообразных и легколетучих продуктов |
|
деления из микротвэлов...................................................... |
605 |
35.6. Миграция топливных микросфер в микротвэлах........................ |
610 |
35.7. Коррозия покрытий микротвэлов................................................. |
618 |
35.8. Напряженно-деформированное состояние микротвэлов ........... |
622 |
Контрольные вопросы.................................................................................. |
627 |
Список литературы....................................................................................... |
629 |
Предметный указатель................................................................................. |
630 |
8
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
A – атомная масса, константа
а – температуропроводность, параметр решетки
B – константа, выгорание, скорость образования изотопа ПД
b – выгорание
СV – удельная теплоемкость при постоянном объеме
Ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении
с – параметра решетки
D – диаметр, коэффициент диффузии
d – диаметр зерна, диаметр поры, расстояние
Е – модуль упругости, энергия E0 – энергия активации
Eш – энергия образования дефектов Шотки
Еф – энергии образования пары анионных дефектов Френкеля
Ес – энергия активации ползучести
Ест – энергия образования ступени
EU* – энергия активации движе-
ния иона урана e – заряд электрона
F – выход продуктов деления, равновесная утечка ПД, фактор формы пор
F() – функция
F(t) – относительная утечка ПД
– скорость деления
F
f, f ′ – относительная утечка ПД
из МТ
G – модуль сдвига
Gi – безразмерный коэффициент радиационного роста
Gt – безразмерный коэффициент термического роста
GO2 – кислородный потенциал
GПДO – энергия образования оксида продукта деления
HO2 – энтальпия растворения
кислорода
K – коэффициент миграции МС Kа – коэффициент анизотропии (коэффициент Бэкона BAF)
k – постоянная Стефана– Больцмана
kp – коэффициент, зависящий от относительного объема, размера и распределения пор
l – доля топлива, длина свободного пробега фононов, длина образца
М(t) – количество нуклида в момент времени t
m – масса
m/m – выгорание, выраженное через количество разделившихся атомов
N – число циклов
n – показатель степени, коэффициент преломления
P – вероятность
P(f) – суммарная доля осколков деления, вышедших из области непосредственно под поверхностью частицы
9
Р(а) – доля вылетевших из топливной частицы продуктов деления
р – пористость, давление
pO2 – равновесное парциальное
давление кислорода Q – энергия активации
Q* – теплота переноса углерода qV – тепловой поток, линейная
мощность твэла
R – универсальная газовая постоянная, тепловое сопротивление материала, скорость утечки изотопа ПД
r – средний атомный радиус
SO2 – энтропия растворения
кислорода
S – скорость распухания, площадь
Т – температура t – время
V – объем
Vf – объемная доля топливной фазы
Vm – объемная доля матрицы, которая не повреждается продуктами деления
VПД – объем продуктов деления v – скорость, средняя скорость
фонона
vвыдел – скорость выделения ГПД vобр – скорость образования ГПД w –мощность
Y – выход данного изотопа на деление
yi – атомная доля точечных дефектов
Z – валентность
ZPu – валентность плутония ZU – валентность урана
Ф – поток нейтронов Φ(ε) – поток нейтронов с энергией
ε
Гi – сечение рассеяния фононов точечными дефектами i-ого типа
α – коэффициент поглощения, коэффициент линейного термического расширения (КЛТР)
cos2α – ориентационный фактор
δ– пластичность, относительное удлинение, ширина зазора
ε – скорость ползучести ε0 – максимальная скорость пол-
зучести η – феноменологический пара-
метр
Λ– интегральная теплопроводность
λ– коэффициент теплопроводности, постоянная распада, длина пробега
λе – электронная составляющая теплопроводности;
λр – составляющая теплопроводности обусловленная излучением
λф – фононная составляющая теплопроводности
λf – длина пробега продукта деления в частице
λm – длина пробега осколка деления в матрице;
λ0 – теплопроводность материала теоретической плотности
ν – коэффициент Пуассона; ρ – плотность
ρ0 – исходная (начальная) плотность
10